[論文レビュー] Coexisting pseudo-gap and superconducting gap in the high-Tc superconductor La2-xSrxCuO4

T. Yoshida, Walid Malaeb+13 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2012

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、角別光電子分光法（ARPES）を用いて、ドーピング量が不足しているLa2-xSrxCuO4（x=0.10, 0.14）において、d波超伝導ギャップが、それよりも大きな擬似ギャップと共存しており、超伝導ギャップのピークが擬似ギャップの上に現れていることを実証した。d波ギャップパラメータΔ₀はドーピングにほとんど依存せず（約12–14 meV）、両ギャップの起源が別個であることを示唆し、高温超伝導体における二重ギャップ状況を支持する。

ABSTRACT

Relationship between the superconducting gap and the pseudogap has been the subject of controversies. In order to clarify this issue, we have studied the superconducting gap and pseudogap of the high-Tc superconductor La2-xSrxCuO4 (x=0.10, 0.14) by angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). Through the analysis of the ARPES spectra above and below Tc, we have identified a superconducting coherence peak even in the anti-nodal region on top of the pseudogap of a larger energy scale. The superconducting peak energy nearly follows the pure d-wave form. The d-wave order parameter Δ_0 [defined by Δ(k)=Δ_0(cos(kxa)-cos(kya)) ] for x=0.10 and 0.14 are nearly the same, Δ_0 ~ 12-14 meV, leading to strong coupling 2Δ_0/kB Tc ~ 10. The present result indicates that the pseudogap and the superconducting gap are distinct phenomena and can be described by the "two-gap" scenario.

研究の動機と目的

• 高温銅酸化物超伝導体、特にLa2-xSrxCuO4における擬似ギャップと超伝導ギャップの関係を解明すること。
• 擬似ギャップと超伝導ギャップが独立した現象であるのか、あるいは単一のギャップ構造の一部であるのかを特定すること。
• 高分解能ARPESを用いて、ギャップの運動量依存性および温度依存性を調査すること。
• 単層型超伝導体における二重ギャップ状況の妥当性を、Bi2212のような二層系と比較して検証すること。

提案手法

• スプリングロッド（SSRL）およびUVレーザー（ISSP）光源を用いて、高品質な単結晶La2-xSrxCuO4（x=0.10, 0.14）における角別光電子分光法（ARPES）を実施した。
• 超伝導転移温度（Tc）未満（T < Tc）および超過伝導転移温度以上（T > Tc）の状態で分光を取得し、超伝導的特徴を分離した。
• エネルギー分解能を考慮したフェルミ・ディラック関数の畳み込みを用いてスペクトルを正規化し、ピークの可視性を向上させた。
• スペクトル線形の解析を通じて、特に反ノード領域における超伝導コherencyピークを同定した。
• 異なるドーピングレベルにおける擬似ギャップと超伝導ギャップのエネルギースケールおよび温度依存性を比較した。
• 理論的モデルおよび他の銅酸化物と比較するため、2Δ = 4.3kB Tを用いたスケーリング解析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不足ドーピングのLa2-xSrxCuO4の反ノード領域において、擬似ギャップと超伝導ギャップが共存しているか？
• RQ2 反ノード領域における超伝導ギャップが純粋なd波対称性に従っているか？
• RQ3 ドーピング量に応じて、超伝導ギャップパラメータΔ₀はどのように変化するのか（不足ドーピング領域において）？
• RQ4 なぜ単層型超伝導体では二つの明確なエネルギースケール（擬似ギャップと超伝導ギャップ）が解像されるのに対し、Bi2212のような二層型超伝導体ではそうならないのか？
• RQ5 擬似ギャップの起源は何か？エネルギースケールおよび温度依存性の観点から、超伝導ギャップとはどのように異なるのか？

主な発見

• Tc未満の状態においても、La2-xSrxCuO4（x=0.10, 0.14）の反ノード領域に明確な超伝導コherencyピークが観測され、既存の擬似ギャップの上に存在していた。
• 超伝導ギャップはほぼ純粋なd波形を示し、x=0.10およびx=0.14の両方で順序パラメータΔ₀ ≈ 12–14 meVと推定され、不足ドーピング領域においてドーピングにほとんど依存しないことが示された。
• 擬似ギャップのエネルギースケールは超伝導ギャップよりも大きく、Tcを超えて存在し続けるため、超伝導とは別個の現象であることが示された。
• 超伝導ギャップがTc未満で既存の擬似ギャップ内に開くという観察結果は、YRZの半経験的モデルと整合的であり、二重ギャップ状況が支持された。
• Bi2212では二つのエネルギースケールが解像されないのは、TcとT*（擬似ギャップ発現温度）がほぼ同一であるためであり、単層型超伝導体とは異なり、Tc ≪ T*の関係にある。
• 反ノード領域における擬似ギャップは、粒子・ホール非対称性およびフェルミアークの抑制を示すSTMおよびARPESの証拠から、二次元的電荷秩序状態または密度波状態に関連している可能性が高い。