[論文レビュー] Cooling a polaronic liquid: Phase mixture and pseudogap-like spectra in superconducting $Ba_{1-x}K_{x}BiO_{3}$

Muntaser Naamneh, M. Yao+18 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 39被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、最適ドーピング付近の超伝導性 Ba₁₋ₓKₓBiO₃ において、Tₚ > T_c の遷移が金属-絶縁体相分離を引き起こし、無秩序なポラロン液体から絶縁性のバイポラロン島が析出することを明らかにした。ARPESおよびラマン測定から、フェルミ準位近くでのスペクトル重みの疑似ギャップ的抑制が、電子の平均自由行程のクロスオーバーに起因し、ポラロン的相分離を通じて隠れた秩序としての疑似ギャップの説明が可能であることが示された。

ABSTRACT

Many complex electronic systems exhibit so-called pseudogaps, which are poorly-understood suppression of low-energy spectral intensity in the absence of an obvious gap-inducing symmetry. Here we investigate the superconductor $Ba_{1-x}K_{x}BiO_{3}$ near optimal doping, where unconventional transport behavior and evidence of pseudogap(s) have been observed above the superconducting transition temperature $T_{c}$, and near an insulating phase with long-range lattice distortions. Angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) reveals a dispersive band with vanishing quasiparticle weight and "tails" of deep-energy intensity that strongly decay approaching the Fermi level. Upon cooling below a transition temperature $T_{p} > T_{c}$, which correlates with a change in the slope of the resistivity vs. temperature, a partial transfer of spectral weight near $E_{F}$ into the deep-binding energy tails is found to result from metal-insulator phase separation. Combined with simulations and Raman scattering, our results signal that insulating islands of ordered bipolarons precipitate out of a disordered polaronic liquid and provide evidence that this process is regulated by a crossover in the electronic mean free path.

研究の動機と目的

• T_c よりも高い温度域における超伝導性 Ba₁₋ₓKₓBiO₃ における疑似ギャップ的スペクトル特徴の起源を理解すること。
• 電子-格子相互作用およびポラロン効果が電子的不均一性を引き起こす役割を調査すること。
• 観察された疑似ギャップ行動が、例えば相分離したバイポラロン状態のような隠れた秩序に起因するかどうかを特定すること。
• 抵抗率の異常と電子的スペクトル変化を関連付け、遷移温度 Tₚ を同定すること。
• 電子の平均自由行程のクロスオーバーが、スペクトル重み移動の起源を支配しているという仮説を検証すること。

提案手法

• 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、最適ドーピング（x ≈ 0.39）に近い Ba₁₋ₓKₓBiO₃ の薄膜における電子バンド構造およびスペクトル重み分布をマッピングした。
• ラマン散乱測定は、低出力の 514.5 nm レーザーを用いて薄膜および SrTiO₃ サブストレートで実施され、格子および電子励起状態をプローブした。サブストレート寄与は差し引かれた。
• 2次元 Lieb 格子上の三軌道 Su-Schrieffer-Heeger モデルを用いて、電子-格子結合をシミュレートした。Hopfield 积分は酸素の変位変数 x_r および y_r によって変調された。
• 理論的計算では、全エネルギー E を最小化することで平衡原子変位を求める方法を採用し、フェルミ-ディラック分布を用いて占有状態およびスペクトル重み関数を計算した。
• スペクトル重み関数 A(k,ω) は、グリーン関数形式を用いて計算され、多体効果を組み込み、δ = 0.3 eV で幅を広げた。
• 密度汎関数理論から得られたパラメータを用いた。具体的には、t_sp = 2.08 eV、t_pp = 0.056 eV、電子-フォノン結合 α = 4a⁻¹、K = 0.104 eV/a² を使用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ba₁₋ₓKₓBiO₃ において T_c よりも高い温度域でフェルミ準位近くに観察される疑似ギャップ的スペクトル重み抑制の原因は何か？
• RQ2 Tₚ > T_c における抵抗率の異常は、電子的スペクトル変化および相分離とどのように関係しているか？
• RQ3 観察されたスペクトル特徴は、無秩序なポラロン液体内に形成された絶縁性バイポラロン島の生成によって説明可能か？
• RQ4 電子の平均自由行程は、Tₚ における遷移をどのように媒介しているか？
• RQ5 この系における疑似ギャップは、フラクチュエーティングまたは事前形成ペア状態ではなく、相分離したバイポラロンのような隠れた秩序の兆候であるか？

主な発見

• 抵抗率-温度曲線の傾きの変化が特徴的な遷移温度 Tₚ ≈ 140 K が明確に観察され、フェルミ準位付近のスペクトル重みが深く結合したエネルギー尾部へ部分的に移動することが関連していた。
• スペクトル重みの移動は、金属-絶縁体相分離に起因し、無秩序なポラロン液体から秩序化したバイポラロンの絶縁性島が析出することに起因する。
• ARPES により、準粒子重みが消失し、フェルミ準位付近での強度の急激な減衰を示す分散性バンドが観察され、強い多体効果が示唆された。
• ラマン散乱測定により、格子歪みおよび局所的ポラロンモードの存在が確認され、局所化したバイポラロン状態の形成が支持された。
• 電子-格子結合を有する 2次元 Lieb 格子上の理論的シミュレーションは、観察されたスペクトル特徴（疑似ギャップ的抑制およびスペクトル重み再分配）を再現した。
• Tₚ における電子の平均自由行程のクロスオーバーが、相分離の開始を支配しており、電子局在化が疑似ギャップ行動を駆動する重要な役割を果たしていることが示唆された。