[論文レビュー] Effect of pseudogap on electronic anisotropy in the strain dependence of the superconducting $T_c$ of underdoped YBa$_2$Cu$_3$O$_y$

Mehdi Frachet, Daniel Campbell+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、ドーピングが中程度（p ≈ 0.11–0.14）に達する際、結晶の正方晶性が低下するにもかかわらず、超伝導転移温度 Tc のひずみ依存性（dTc/dϵ₂₂ − dTc/dϵ₁₁）として定量化される電子的異方性が非単調に増大することを明らかにした。ラジアル振動測定と理論的モデリングにより、この増大は、モット絶縁体状態に近づくに従い増大する仮想ギャップポテンシャルに起因すると解釈され、ひずみが仮想ギャップを調整可能であり、Tc の向上をもたらす可能性があることを示している。

ABSTRACT

For orthorhombic superconductors we define thermodynamic anisotropy $N \equiv d T_c/d \epsilon_{22} - dT_c/d \epsilon_{11}$ as the difference in how superconducting $T_c$ varies with strains $\epsilon_{ii}$, $i=(1, 2)$, along the in-plane directions. We study the hole doping ($p$) dependence of $N$ on detwinned single crystals of underdoped YBa$_2$Cu$_3$O$_y$ (YBCO) using ultrasound technique. While the structural orthorhombicity of YBCO reduces monotonically with decreasing doping over $0.065 <p<0.16$, we find that the thermodynamic anisotropy shows an intriguing enhancement at intermediate doping level, which is of electronic origin. Our theoretical analysis shows that the enhancement of the electronic anisotropy can be related to the pseudogap potential in the electronic specturm that itself increases when the Mott insulating state is approached. Our results imply that the pseudogap is controlled by a local energy scale that can be tuned by varying the nearest neighbor Cu-Cu bond length. Our work opens the possibility to strain engineer the pseudogap potential to enhance the superconducting \Tc.

研究の動機と目的

• 未ドーピングYBa₂Cu₃Oᵧにおける非単調な面内電子的異方性の起源を解明すること。
• Tcのひずみ依存性に観察された異方性が、電子的要因か構造的要因に起因するかを特定すること。
• 仮想ギャップポテンシャルと超伝導転移温度における電子的異方性の出現を結びつけること。
• ひずみによって仮想ギャップを工学的に制御し、Tcの向上を図る可能性を検討すること。

提案手法

• Ehrenfestの関係を用いてTcにおける音速の不連続変化を測定し、静的ひずみゼロの条件でdTc/dϵiiを抽出することで、ひずみ依存性を測定する。
• 穴ドーピング範囲（0.065 < p < 0.16）におけるデューピング単結晶を用いて、内在的な異方性を分離する。
• 熱力学的異方性をN ≡ dTc/dϵ₂₂ − dTc/dϵ₁₁として定義し、Tcの方向依存ひずみ感受性を定量化する。
• ドーピングに依存する仮想ギャップポテンシャルP₀(p) = Pg(1 − p/0.2)を有するt-J型ハミルトニアンを用いた理論的モデリング。
• 歪み結合を秩序パラメータに組み込んだ、感受率χppとその温度微分を用いて熱力学的異方性N(p)を計算する。
• 数値的運動量和を用いてa₀ = −(∂χpp/∂T)T=T₀cとλ₂ = −1/2(∂²χpp/∂η²)η=0を評価し、ドーピング関数としてのN(p)をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 結晶の正方晶性が低下する中で、なぜ熱力学的異方性N(p)が中程度ドーピング（p ≈ 0.11–0.14）で増大するのか？
• RQ2 未ドーピングYBCOにおけるN(p)の非単調挙動の微視的起源は何か？
• RQ3 仮想ギャップポテンシャルは、Tcのひずみ依存性および電子的異方性にどのように寄与するか？
• RQ4 仮想ギャップポテンシャルはひずみによって調整可能であり、Tcの向上にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 熱力学的異方性N(p)はドーピング依存性を示し、p ≈ 0.11でピークを示すが、ドーピングが低下するに従い単調に減少する結晶の正方晶性とは対照的である。
• 中程度ドーピングにおけるN(p)の増大は、モット絶縁体状態に近づくに従い増大する電子的要因、特に仮想ギャップポテンシャルに起因するとされる。
• 理論的モデリングにより、仮想ギャップポテンシャルをゼロに設定した場合、非単調なN(p)挙動が消失することが確認され、これがその本質的役割を裏付けている。
• 仮想ギャップポテンシャルはひずみによって調整可能であり、特にノード領域において顕著なギャップ構造の変化が予測される。
• モデルは、ひずみによってノード領域に顕著なギャップ開口が誘発されることを予測しており、角度分解光電子分光法や電子ラマン分光法による実験的検証が可能である。
• 高ドーピング（p > 0.14）におけるN(p)の増大は、CuO鎖の寄与に起因するとされ、現在の二バンド平面モデルでは捉えきれていない。