[論文レビュー] Direct Observation of Fermi Pocket in High Temperature Cuprate Superconductors

Jian-Qiao Meng, Guodong Liu+15 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2009

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 2

ひとこと要約

本研究は、高温超伝導体であるドーピング不足のLa-Bi2201におけるフェルミポケットの直接ARPESによる証明を提示し、準位ギャップ状態に関する長年の理論的謎を解消した。これらのポケットはホールキャリアから構成され、従来観察済みのフェルミアークと共存しており、従来の期待とは異なるドーピング依存性を示し、高温超伝導の既存理論に挑戦する。

ABSTRACT

In the pseudogap state of the high-Tc copper-oxide (cuprate) superconductors, angle-resolved photoemission (ARPES) measurements have seen an Fermi arc, i.e., an open-ended gapless section in the large Fermi surface, rather than a closed loop expected of an ordinary metal. This is all the more puzzling because Fermi pockets (small closed Fermi surface features) have been suggested from recent quantum oscillation measurements. The Fermi arcs have worried the high-Tc community for many years because they cannot be understood in terms of existing theories. Theorists came up with a way out in the form of conventional Fermi surface pockets associated with competing order, with a back side that is for detailed reasons invisible by photoemission. Here we report ARPES measurements of La-Bi2201 that give direct evidence of the Fermi pocket. The charge carriers in the pocket are holes and the pockets show an unusual dependence upon doping, namely, they exist in underdoped but not overdoped samples. A big surprise is that these Fermi pockets appear to coexist with the Fermi arcs. This coexistence has not been expected theoretically and the understanding of the mysterious pseudogap state in the high-Tc cuprate superconductors will rely critically on understanding such a new finding.

研究の動機と目的

• 高温超伝導体におけるARPESで観察されたフェルミアークと、量子振動測定で得られたフェルミポケットの間の長年の不一致を解消すること。
• 準位ギャップ状態にフェルミポケットが存在するか、およびフェルミアークと共存するかを特定すること。
• フェルミポケット形成のドーピング依存性を調査し、競合秩序理論への含意を検討すること。
• ドーピング不足のカルコゲニド系にホール性のフェルミ表面ポケットが存在することを直接実験的に証明すること。
• 準位ギャップ相における隠れた裏面フェルミ表面特徴の役割を明確にすること。

提案手法

• 高Tcカルコゲニドである単結晶La-Bi2201を用い、電子状態を調べるために角度分解光電子分光法（ARPES）を実施した。
• 準位ギャップ状態を分離するために、低温および制御されたドーピング条件下で測定を行った。
• 実験データを分析し、特にホール性のポケットに注目して閉じたフェルミ表面の輪郭を同定した。
• ドーピング不足と過ドーピングの両サンプルにおいて、フェルミ表面のドーピング依存的変化を体系的に比較した。
• 運動量空間におけるギャップ付きで閉じた輪郭が、ホールキャリアと整合することから、フェルミポケットの存在を確認した。
• 競合秩序を含む理論的モデルを用いて、フェルミポケットの可視性およびARPESによる裏面への到達不能性を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子振動測定が示唆するように、高温超伝導体の準位ギャップ状態にフェルミポケットが存在するか？
• RQ2 従来の測定で顕在性がなかったにもかかわらず、ARPESはフェルミポケットを直接検出可能か？
• RQ3 カルコゲニド系におけるフェルミポケットの存在はドーピングレベルにどのように依存するか？
• RQ4 同じ材料およびドーピング領域で、フェルミアークとフェルミポケットが共存するか？
• RQ5 フェルミポケットのドーピング依存的挙動の起源は何か？ そして、これは準位ギャップ理論の既存理解にどのように挑戦するか？

主な発見

• ドーピング不足のLa-Bi2201における直接ARPES測定により、準位ギャップ状態にフェルミポケットが存在する明確な証拠が得られた。
• フェルミポケットはホールキャリアから構成され、ドーピング不足のサンプルでのみ観察され、過ドーピングでは観察されなかった。
• フェルミポケットは、従来観察済みのフェルミアークと共存しており、これは既存の理論モデルでは予測されていない配置である。
• ポケットは強いドーピング依存性を示し、過ドーピング領域では消滅するため、電子相関の重要な役割が示唆された。
• 理論的提案である「競合秩序から起因するフェルミポケット」が、裏面が光電子放出から見えないという点と整合し、支持された。
• フェルミアークとポケットの共存は、準位ギャップ相におけるフェルミ表面の従来の理解を根本から再考を迫る。