[論文レビュー] Dichotomy in the $T$-linear resistivity in hole-doped cuprates

N. E. Hussey, Rachel Cooper+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2009

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 18被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、穴ドープ型銅酸化物の$T$線形抵抗率に二重性を明らかにし、低温における$T_c$に比例する$T$線形寄与（超伝導ペア形成メカニズムに関連）と、高温におけるドーピングに依存しない$T$線形寄与（$p_{\text{crit}} \approx 0.19$を越えて）の2つが存在することを特定した。臨界ドーピング$p_{\text{crit}}$は、反ノード準粒子のデコherenceに起因する擬似ギャップ形成の開始を示し、従来の量子臨界定理に挑戦し、競合秩序ではなくデコherenceが擬似ギャップの主因である可能性を示唆する。

ABSTRACT

From analysis of the in-plane resistivity $ρ_{ab}(T)$ of La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$, we show that normal state transport in overdoped cuprates can be delineated into two regimes in which the electrical resistivity varies approximately linearly with temperature. In the low temperature limit, the $T$-linear resistivity extends over a very wide doping range, in marked contrast to expectations from conventional quantum critical scenarios. The coefficient of this $T$-linear resistivity scales with the superconducting transition temperature $T_c$, implying that the interaction causing this anomalous scattering is also associated with the superconducting pairing mechanism. At high temperatures, the coefficient of the $T$-linear resistivity is essentially doping independent beyond a critical doping $p_{ m crit}$ = 0.19 at which the ratio of the two coefficients is maximal. Taking our cue from earlier thermodynamic and photoemission measurements, we conclude that the opening of the normal state pseudogap at $p_{ m crit}$ is driven by the loss of coherence of anti-nodal quasiparticles at low temperatures.

研究の動機と目的

• 穴ドープ型銅酸化物の正常状態における長年の$T$線形抵抗率の謎を解明すること。
• $T$線形抵抗率が単一の量子臨界定理的メカニズムに起因するのか、それとも複数の異なる散乱過程に起因するのかを特定すること。
• ドーピング$p_{\text{crit}} \approx 0.19$が電子的挙動における根本的な転移を定義する役割を調査すること、特に擬似ギャップ形成の開始に関連して。
• 過ドープ銅酸化物における超伝導ペア形成、準粒子コherenec、抵抗率異常との関係を明確化すること。
• 競合秩序ではなく、強い電子-電子相互作用に起因するデコherenceが主因であることを特定することで、支配的とされる量子臨界定理のシナリオに挑戦すること。

提案手法

• 持久的およびパルス磁場を用いた高磁場下で、広いドーピング範囲（$x = 0.15$ から $0.33$）における高品質単結晶La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$の面内抵抗率$\rho_{ab}(T)$を測定した。
• 低温と高温における異なる$T$線形寄与を分離するために、$\rho_{ab}(T)$の温度微分を分析した。
• $T_c$およびドーピングレベルと$T$線形抵抗率係数を相関させ、スケーリング行動を評価し、臨界ドーピングを同定した。
• 抵抗率係数のドーピング依存性を用いて、超伝導ペア形成に関連する散乱機構と、準粒子デコherenceに関連する別の散乱機構を推定した。
• 先行のARPES、熱力学的および輸送特性データと統合し、2つの$T$線形項の起源を文脈づけた。
• 同一の相互作用が超伝導とデコherenceの両方を駆動する統一的図式を提唱した。この相互作用は、$p_{\text{crit}} \approx 0.19$で最大の超伝導密度を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 過ドープ銅酸化物の正常状態に二重の$T$線形抵抗率寄与が存在し、それらが異なる起源を持つのか？
• RQ2 $T$線形抵抗率係数はドーピングにどのように依存するか？また、$T_c$にスケーリングするか？
• RQ3 $p_{\text{crit}} \approx 0.19$という臨界ドーピングの物理的意味は、擬似ギャップおよび準粒子コherenecとどのように関係するか？
• RQ4 高温領域の$T$線形抵抗率項は、$p_{\text{crit}}$を越えてドーピング不変であるか？これは下位の散乱メカニズムに何を示唆するか？
• RQ5 擬似ギャップは競合秩序に起因するのか、それとも強い電子-電子相互作用に起因する準粒子デコherenceに起因するのか？

主な発見

• 二重の$T$線形抵抗率寄与が特定された：低温領域の寄与は$T_c$に単調に比例し、超伝導ペア形成メカニズムに関連している。
• 高温領域の$T$線形抵抗率係数は、$p_{\text{crit}} \approx 0.19$を越えてドーピング不変となり、超伝導とは無関係な異なる散乱起源を示している。
• 臨界ドーピング$p_{\text{crit}} \approx 0.19$は、反ノード準粒子のデコherenceの開始を示しており、これは温度に比例し、有限温度で常に発生する。
• 最大の超伝導密度および凝縮エネルギーは、$p_{\text{crit}} \approx 0.19$で観測され、$T$線形抵抗率係数のピークおよび擬似ギャップエネルギースケールの消失と一致する。
• 超伝導を駆動する相互作用が同時に準粒子コherenecを破壊しており、同一の相互作用がペア形成を促進する一方で、$p_{\text{crit}}$未満では凝縮状態を抑制することが示唆される。
• 擬似ギャップは、不規則な反ノード状態をギャップさせることで基底状態エネルギーを低下させるものであり、競合秩序ではなくデコherenceが過ドープ領域における擬似ギャップ状態の主因であると考えられる。