[論文レビュー] Charge order driven by Fermi-arc instability in Bi$_2$Sr$_{2-x}$La$_{x}$CuO$_{6+\delta}$

Riccardo Comin, Alex Frañó+15 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 12

ひとこと要約

本研究は、単純な準粒子の反対ノードネスに起因するのではなく、フェルミアークの多体不安定性に起因するBi₂Sr₂₋ₓLaₓCuO₆₊δにおける電荷秩序を特定した。REXS、STM、ARPESを用いて、表面およびバルク、実空間および運動量空間において一貫した電荷秩序を示し、これをアンダードープ銅酸化物の仮想ギャップ相に関連づけた。

ABSTRACT

The understanding of the origin of superconductivity in cuprates has been hindered by the apparent diversity of intertwining electronic orders in these materials. We combined resonant x ray scattering REXS , scanning tunneling microscopy STM , and angle resolved photoemission spectroscopy ARPES to observe a charge order that appears consistently in surface and bulk, and in momentum and real space within one cuprate family, Bi2Sr2 amp; 8722;xLaxCuO6 d. The observed wave vectors rule out simple antinodal nesting in the single particle limit but match well with a phenomenological model of a many body instability of the Fermi arcs. Combined with earlier observations of electronic order in other cuprate families, these findings suggest the existence of a generic charge ordered state in underdoped cuprates and uncover its intimate connection to the pseudogap regime

研究の動機と目的

• アンダードープ銅酸化物における電荷秩序の起源を解明すること。これは長きにわたり広範な研究がなされているが、依然として論争の余地がある。
• 電荷秩序が単一粒子のネスティングに起因するのか、それともフェルミアーク領域における多体不安定性に起因するのかを特定すること。
• 同一の銅酸化物系において、表面およびバルク、実空間および運動量空間における電荷秩序の一貫性を確立すること。
• 観察された電荷秩序を、高温超伝導体における広範な仮想ギャップ領域と結びつけること。

提案手法

• 運動量空間における電荷秩序をプローブし、波数を決定するために共鳴X線散乱（REXS）を用いる。
• 表面における実空間での電荷秩序をイメージングするために走査トンネル顕微鏡（STM）を用いる。
• 電子状態およびフェルミアーク特徴をマップするために角度分解光電子分光法（ARPES）を用いる。
• 測定された波数を、反対ノードネスとフェルミアーク駆動の不安定性の理論的モデルと比較する。
• フェルミアーク不安定性と観測された波数が整合するかを検証するため、現象論的多体モデルを用いる。
• 複数の技術による結果の相互検証を通じて、異なる測定フレームワーク間での電荷秩序の一貫性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bi₂Sr₂₋ₓLaₓCuO₆₊δにおける観察された電荷秩序は、単一粒子的モデルにおける反対ノードネスに起因しているか？
• RQ2 電荷秩序の波数は、フェルミアークに起因する多体不安定性と整合的か？
• RQ3 この銅酸化物系において、実空間（STM）と運動量空間（REXS）における電荷秩序のパターンはどのように比較できるか？
• RQ4 電荷秩序状態は、表面およびバルク領域においてどの程度一貫しているか？
• RQ5 この電荷秩序は、アンダードープ銅酸化物における仮想ギャップ領域とどのように関連しているか？

主な発見

• 測定された電荷秩序の波数は、単一粒子極限における単純な反対ノードネスの予測と一致しない。
• 波数は、フェルミアークに関連する多体不安定性を想定した現象論的モデルとよく一致する。
• 実空間（STMを用いて）および運動量空間（REXSを用いて）の両方で電荷秩序が一貫して観察され、その頑健性が確認された。
• 電荷秩序状態は表面およびバルク領域の両方で観察され、バルクにおける意味を持つことが示された。
• これらの発見は、アンダードープ銅酸化物における一般的な電荷秩序状態が、仮想ギャップ領域と密接に関連していることを支持する。
• 結果から、フェルミアーク駆動の不安定性が高温超伝導体における電子秩序の主要メカニズムである可能性が示唆される。