[論文レビュー] Charge carriers of different origin in cuprates as revealed by experiment

L. P. Gor’kov, G. B. Teǐtel'Baum|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2006

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、高温および高ドーピング領域において、銅酸化物系の励起状態に外部ドーピング濃度 $x$ よりも多くの電荷キャリアが存在することを実験的に示しており、これは動的なスピンおよび電荷フラクチュエーションを示唆している。ホール係数測定とARPESデータを用いて、van Hove特異点付近の熱励起キャリアが温度依存のキャリア密度に寄与することを示し、Cuスピンが局在化していないこと、および準ギャップ領域に金属的および反強磁性相が共存していることを示している。

ABSTRACT

The Hall coefficient data for cuprates show that number of carriers exceeds external doping $x$ at higher $x$ and varies with temperature. Hence, spins on the Cu-sites are not conserved. Activation energy for thermally excited carriers equals the energy between the Fermi surface "arc" and the band bottom near the van Hove singularities. Crossover from marginal Fermi liquid- to pseudogap- regime happens at temperatures at which number of activated carriers gets comparable with the number of externally doped holes. Implications for the $(T,x)$-phase diagram of cuprates are discussed.

研究の動機と目的

• 銅酸化物系における電荷キャリアの数が外部ドーピングされたホール濃度 $x$ に等しいかどうかを特定すること。
• 準ギャップおよびマージナルフェルミ液体領域におけるキャリアの起源と温度依存性を調査すること。
• Cu $d^{9}$-ホール状態の安定性とスピン自由度がキャリアダイナミクスに果たす役割を評価すること。
• ホール係数データとARPES測定結果を一致させ、キャリア励起のエネルギースケールを理解すること。
• $T^*$転移の性質と、銅酸化物系における相の共存との関係を明確にすること。

提案手法

• La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ における高温度（1000 K まで）のホール係数データを、ドーピング濃度 $x$ の範囲で分析すること。
• ホールキャリア濃度 $n_{\text{Hall}}$ を指数関数的形 $n_{\text{Hall}} = n_0(x) + n_1(x) \exp(-\Delta(x)/T)$ にフィットさせ、$\Delta(x)$ を励起エネルギーとすること。
• ARPESデータによるフェルミ表面アークおよびvan Hove特異点付近のバンド構造と、抽出された励起エネルギー $\Delta(x)$ を比較すること。
• ドーピング $x \sim 0.2$ におけるフェルミ表面のトポロジー変化の発生と、$n_0(x)$ および $n_1(x)$ の $x$ 依存性を関連付けること。
• NMRおよび中性子散乱データを用いて、準ギャップ領域における反強磁性相と金属的相の共存を裏付けること。
• 低ドーピング領域における温度に依存しない抵抗率を、励起キャリアが散乱中心を形成することに起因すると解釈すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銅酸化物系における電荷キャリアの数は、外部ドーピングされたホール濃度 $x$ を上回るか？
• RQ2 温度依存のホールキャリア濃度の起源は何か？ そして電子構造とどのように関係するか？
• RQ3 励起エネルギー $\Delta(x)$ およびキャリア濃度 $n_{\text{Hall}}$ は、ドーピングおよび温度とともにどのように変化するか？
• RQ4 Cuスピンダイナミクスはキャリア生成にどのように寄与するか？ また、準ギャップ領域においてスピンの局在化が破壊されるか？
• RQ5 観測されたキャリアダイナミクスは、$T^*$転移および金属的・反強磁性相の共存とどのように関係するか？

主な発見

• 高ドーピングおよび高温領域において、ホールキャリア濃度 $n_{\text{Hall}}$ は外部ドーピング $x$ を上回っており、追加の熱励起キャリアが存在することを示唆している。
• ホールデータから抽出された励起エネルギー $\Delta(x)$ は、van Hove特異点付近のフェルミ表面アークとバンド下部とのエネルギー差と一致している。
• ドーピング $x \sim 0.2$ において、励起エネルギー $\Delta(x)$ にプラトーが観察され、これはフェルミ表面のトポロジーが空孔的から電子的へと変化する点と一致している。
• $n_0(x)$ の $x$ 依存性および $x \sim 0.2$ における $n_1(x)$ の低下は、このドーピングで量子臨界点（QCP）が存在することを示唆している。
• 低ドーピング領域における温度に依存しない抵抗率は、ホール応答と同一の励起エネルギーを持つ熱励起キャリアが散乱中心を形成することに起因する。
• データは、準ギャップ領域において金属的（MFL的）および反強磁性的（ICAF的）相の動的共存を支持しており、低温では後者が静的になる。