[論文レビュー] Evidence for a universal Fermi-liquid scattering rate throughout the phase diagram of the copper-oxide superconductors

N. Barišić, M. K. Chan+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、HgBa2CuO4+δにおけるホール角測定を用いて、銅酸化物超伝導体の全相図にわたり普遍的なフェルミ液体散乱率の証拠を提供する。最適ドーピング未満では散乱率は温度およびドーピングに依存せず、二次関数的であることが示され、複雑な準位相と奇妙な金属相が存在するにもかかわらず、普遍的な輸送メカニズムが存在することを示唆する。

ABSTRACT

The phase diagram of the cuprate superconductors continues to pose formidable scientific challenges. While these materials are typically viewed as doped Mott insulators, it is well known that they are Fermi liquids at high hole-dopant concentrations. It was recently demonstrated that at moderate doping, in the pseudogap region of the phase diagram, the charge carriers are also best described as Fermi liquid. Nevertheless, the relationship between the two Fermi-liquid regions and the nature of the strange-metal state at intermediate doping have remained unsolved. Here we show in the case of the model cuprate superconductor HgBa2CuO4+δ that the scattering rate measured by the cotangent of the Hall angle remains quadratic in temperature across the pseudogap temperature, upon entering the strange-metal state, and that it is doping-independent below optimal doping. Analysis of the published results for other cuprates reveals that this behavior is universal throughout the entire phase diagram and points to a pervasive Fermi-liquid transport scattering rate. We argue that these observations can be reconciled with other data upon considering the possibility that the pseudogap phenomenon signifies the completion of the gradual, non-uniform localization of one hole per planar CuO2 unit upon cooling.

研究の動機と目的

• 銅酸化物超伝導体の全相図にわたり、フェルミ液体散乱率が普遍的であるかどうかを特定すること。
• ドーピング不足領域におけるフェルミ液体的挙動が、準位相と奇妙な金属状態、ドーピング過剰領域におけるフェルミ液体的状態とどのように接続されているかという長年の疑問を解消すること。
• ドーピングおよび温度に依存しない散乱率に基づく統一的記述を提案することで、輸送データに対する矛盾する解釈を解消すること。
• 冷却に伴いCuO2ユニットあたり1つのホールが段階的に局在化する過程を反映しているかどうか、準位相がそのような局在化の完成状態を示しているかを調査すること。

提案手法

• 単結晶HgBa2CuO4+δにおいて、ホール角の正割関数を温度およびドーピングの関数として測定した。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）および輸送データを用いて、ホール角の温度依存性から散乱率を抽出した。
• 散乱率の温度依存性を分析し、特にそのTの2乗に比例する振る舞いに注目した。
• 他の銅酸化物からの既存のデータを用いて、異なる材料およびドーピングレベルにおける普遍性を検証した。
• 理論的枠組みを提案し、準位相が冷却に伴い非一様かつ段階的に1つのホールがCuO2面内に局在化する過程の完成を示していると解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銅酸化物超伝導体の全相図にわたり、フェルミ液体散乱率は普遍的か？
• RQ2 散乱率は準位相、奇妙な金属状態、フェルミ液体状態の各領域をどのように変化するか？
• RQ3 散乱率の観察されたTの2乗依存性は、同一の根本的メカニズムで説明可能か？
• RQ4 電子的局在化の観点から、準位相状態の物理的起源は何か？
• RQ5 散乱率のドーピング依存性は、電荷キャリアの局在化とどのように関係しているか？

主な発見

• ホール角の正割関数から導かれた散乱率は、HgBa2CuO4+δにおいて準位相領域、奇妙な金属状態、ドーピング過剰フェルミ液体領域の全域で、温度に二次関数的に依存する。
• 最適ドーピング未満では散乱率がドーピングに依存せず、ドーピング不足および最適ドーピング領域にわたり普遍的な輸送散乱率が存在することを示唆する。
• 複数の銅酸化物からの既存データの分析により、このTの2乗依存およびドーピングに依存しない振る舞いが相図全体にわたり普遍的であることが確認された。
• 結果は、準位相状態が冷却に伴い段階的かつ非一様に1つのホールが平面内CuO2ユニットあたりに局在化する過程の完成を示しているというシナリオを支持する。
• 観察された普遍的な散乱率は、異なる銅酸化物ファミリーおよびドーピング領域における、一見矛盾する輸送データを統一的に説明できる。
• これらの発見は、強い電子相関および準位相が存在する中でも、フェルミ液体的輸送挙動が全相図にわたり継続している可能性を示唆する。