[論文レビュー] Critical nematic fluctuations at the onset of the pseudogap phase in the cuprate superconductor Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+\delta}$

N. Auvray, S. Benhabib+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、対称性分解電子ラーマン散乱を用いてBi2Sr2CaCu2O8+δにおける準ギャップ端点近くのネマチック揺らぎの増強を同定し、予備的なネマチック量子臨界点を示唆している。しかし、ドーピング依存性は標準的な量子臨界行動とは乖離しており、電子バンド構造におけるヴァン・ホーフェ・特異点への強い結合を示している。

ABSTRACT

Establishing the presence and the nature of a quantum critical point in their phase diagram is a central enigma of the high-temperature superconducting cuprates. It could explain their pseudogap and strange metal phases, and ultimately their high superconducting temperatures. Yet, while solid evidences exist in several unconventional superconductors of ubiquitous critical fluctuations associated to a quantum critical point, in the cuprates they remain undetected until now. Here using symmetry-resolved electronic Raman scattering in the cuprate Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+\delta}$, we report the observation of enhanced electronic nematic fluctuations near the endpoint of the pseudogap phase. While our data hint at the possible presence of an incipient nematic quantum critical point, the doping dependence of the nematic fluctuations deviates significantly from a canonical quantum critical scenario. The observed nematic instability rather appears to be tied to the presence of a van Hove singularity in the band structure.

研究の動機と目的

• 銅酸化物超伝導体Bi2Sr2CaCu2O8+δにおける量子臨界揺らぎの存在と性質を調査すること。
• 準ギャップ相の端点近くのネマチック揺らぎが量子臨界点を示しているかどうかを特定すること。
• 高温超伝導体における電子ネマチック性と電子バンド構造の特異点との関係を検討すること。
• 銅酸化物における観察された揺らぎと標準的量子臨界スケーリングとの乖離を解明すること。

提案手法

• 運動量および対称性分解能を有する電子ラーマン散乱を用いて、電子揺らぎを測定した。
• 回転対称性の破れに関連する揺らぎを検出するためにネマチックチャネルに焦点を当てた。
• 準ギャップ相境界近くにおけるネマチック応答のドーピング依存性を分析した。
• 観察された揺らぎ行動を、量子臨界スケーリングの理論的期待と比較した。
• バンド構造におけるヴァン・ホーフェ特異点が、観察された揺らぎの駆動要因である可能性を評価した。
• 温度およびドーピング依存のラーマンスペクトルを用いて、ネマチック揺らぎの強度とその進化を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bi2Sr2CaCu2O8+δにおける準ギャップ相の端点近くのネマチック揺らぎは、量子臨界点の存在を示唆しているか？
• RQ2 ネマチック揺らぎのドーピング依存性は、標準的量子臨界行動とどのように比較されるか？
• RQ3 観察されたネマチック揺らぎは、特にヴァン・ホーフェ特異点を含む電子バンド構造によってどの程度影響を受けるか？
• RQ4 量子臨界スケーリングからの観察された逸脱は、臨界性ではなくバンド構造効果によって説明可能か？
• RQ5 電子相関は、準ギャップ領域近くのネマチック揺らぎを媒介する役割を果たすか？

主な発見

• Bi2Sr2CaCu2O8+δにおける準ギャップ相の端点近くでネマチック揺らぎが強化されたことが観察され、予備的なネマチック量子臨界点の可能性を示唆している。
• ネマチック揺らぎのドーピング依存性は、標準的量子臨界スケーリングから顕著に乖離しており、従来の量子臨界点の存在を疑問視させる。
• 観察されたネマチック不安定性は、電子バンド構造におけるヴァン・ホーフェ特異点の存在と強く相関している。
• データは、量子臨界性よりもヴァン・ホーフェ特異点が、観察されたネマチック揺らぎの主な駆動要因である可能性を示唆している。
• 対称性分解ラーマン散乱により、ネマチック揺らぎが電子相関とバンド構造効果が最大となる準ギャップ境界近くで最も顕著であることが明らかになった。
• 結果は、ネマチック揺らぎを説明するための銅酸化物相図モデルに、特にヴァン・ホーフェ点付近のバンド構造効果を組み込む必要があることを示唆している。