[論文レビュー] Characteristic electronic structure and its doping evolution in lightly-doped to underdoped YBa2Cu3Oy

Hironori Yagi, T. Yoshida+16 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2010

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、軽度ドーピングからアンダードーピングのYBa2Cu3Oyの電子構造を、角度分解光電子分光法（ARPES）およびコアレベルXPSを用いて調査した。ノード方向において、4%の穴ドーピングまで、フェルミ準位を横切る分散的準粒子ピークが観測され、金属的輸送のメカニズムが解明された。また、LSCOと同程度の電荷ストライプ秩序があるにもかかわらず、低結合エネルギー状態からの準粒子ピークへのスペクトル重み移動が極めて速く、LSCOよりも速いことが判明した。

ABSTRACT

We have performed an angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) study of lightly-doped to underdoped YBa2Cu3Oy (YBCO) untwinned single crystals and a core-level x-ray photoemission spectroscopy (XPS) study of YBCO single and polycrystals. In the zone diagonal (nodal) direction, dispersive quasi-particle (QP) features crossing the Fermi level were observed down to the hole concentration of ~ 4%, which explains the metallic transport of the lightly-doped YBCO. The chemical potential shift estimated from XPS was more rapid than in the Bi2212 cuprates. Upon hole doping, very rapid spectral weight transfer from high binding energies to the QP feature, even faster than La2-xSrxCuO4, was observed.

研究の動機と目的

• 軽度ドーピングからアンダードーピングのYBCOの電子構造、特に準粒子状態の性質およびフェルミ面の位相を解明すること。
• 他の銅酸化物とは異なり、YBCOでは金属的輸送が観測される一方でフェルミ面が完全に存在しないという、表面的矛盾を解消すること。
• ドーピングに伴う化学ポテンシャルの変化およびスペクトル重み移動の進化を、YBCOとLSCO、ビスマス系銅酸化物と比較して調査すること。
• LSCOで観察されたように、YBCOにも下位ハッブルバンド（LHB）の残渣が残存するのか、それとも急速に準粒子ピークへと移行するのかを特定すること。
• 電荷ストライプが、YBCOにおける化学ポテンシャルのシフトおよび電子的不均一性をどのように調節しているかを検討すること。

提案手法

• YBa2Cu3Oyのアンツイニット単結晶を用い、酸素含有量（y = 6.20–6.60）の範囲で高分解能ARPESを実施した。これにより、穴ドーピングδ ≈ 0.01–0.12に対応した。
• 単結晶および多結晶YBCO試料を用いてコアレベルX線光電子分光法（XPS）を実施し、ドーピングに伴う化学ポテンシャルシフトを測定した。
• ノード方向（0,0）–（π,π）に沿った角度分解スペクトルを分析し、準粒子分散、フェルミ面位置、およびスペクトル重みの進化を抽出した。
• ARPESデータをタイトバインディングモデルのフィッティングと照合することで、t'（第二近接結合）を含むドーピング依存パラメータを抽出した。
• XPSから得られた化学ポテンシャルシフトと、ARPESから得られた準粒子重みおよびフェルミ面位相を関連づけた。
• LSCO、Bi2212、Na-CCOC、Bi2201の結果と照合し、YBCOに特有の電子的挙動を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YBCOにおいて、フェルミ準位を横切る分散的準粒子ピークが、4%の穴ドーピングまで持続するのか。その結果、金属的輸送が説明可能なのか。
• RQ2 YBCOでは、低結合エネルギー状態（例：LHB）からのスペクトル重み移動が、他の銅酸化物と比較してどの程度速いか。
• RQ3 軽度ドーピングYBCOに、LSCOで観察されたように下位ハッブルバンド（LHB）の残渣が存在するのか、それとも急速に抑制されるのか。
• RQ4 YBCOにおける化学ポテンシャルの穴ドーピングに伴うシフトは、LSCOおよびビスマス系銅酸化物と比較してどのようになるか。
• RQ5 YBCOはLSCOと同様に電荷ストライプ秩序を示すが、その電荷ストライプが化学ポテンシャルのシフトおよび電子的不均一性をどのように調節しているのか。

主な発見

• ノード方向において、YBCOでは穴濃度が約4%まで、フェルミ準位を横切る分散的準粒子ピークが観測された。これは、金属的輸送挙動の説明に寄与する。
• YBCOでは、LSCOよりも速く、高結合エネルギー状態からの準粒子ピークへのスペクトル重み移動が観測された。これは、Bi2212やNa-CCOCで観察された速度に近い。
• YBCOにおける化学ポテンシャルのドーピング依存シフトは、Bi2212、Bi2201、Na-CCOCと同等の速度であり、LSCOと同様の電荷ストライプ秩序があるにもかかわらず、その速度は類似していた。
• YBCOのフェルミ面形状および大きな|t'|パラメータは、Bi2212のような二層結合系と整合的であり、LSCOとは異なる。
• 約0.8 eVの結合エネルギーまで、YBCOに明確な下位ハッブルバンド（LHB）の残渣は観測されず、これは強いスペクトル重み移動およびO 2pバンドのオーバーハングによるマスキングのためと推定される。
• YBCOでは、LSCOと同程度の電荷ストライプ秩序があるにもかかわらず、化学ポテンシャルの急速なシフトが観測された。これは、YBCOに異なるタイプの電荷ストライプ秩序または電子的不均一性が存在することを示唆している。