[論文レビュー] Fermi surface arcs and the infrared conductivity of underdoped YBa$_{2}$Cu$_{3}$O$_{6.50}$

Jungseek Hwang, Jules Carbotte+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2008

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ドーピング不足のYBa₂Cu₃O₆.₅₀における温度依存の仮想ギャップ形成を伴うフェルミ面アークモデルを提案する。ギャップなしのアークは、縮小温度 t = T/T* に比例して線形にスケーリングされる。このモデルは、仮想ギャップエネルギー Δpg よりも高い領域に電子状態の回復領域を組み込み、光学的散乱率を増大させ、観測された赤外透過率の特徴を説明する。主な結果として、光学データはこのアーク回復モデルによって、回復なしのモデルよりも良好にフィットされ、中性子散乱データによる磁気共鳴ピークとより整合性が高まっている。

ABSTRACT

We reanalyze the data on the in-plane far infrared conductivity of underdoped orthoII YBa$_{2}$Cu$_{3}$O$_{6.50}$ (YBCO$_{6.50}$) in terms of a model in which a pseudogap opens on part of the Fermi surface with the remaining ungaped piece proportional to the temperature. The motivation for our model comes from recent angle-resolved photoemission spectroscopy data in underdoped Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+δ}$ (Bi-2212), which have revealed the existence of arcs on the Fermi surface. We find the optical data to be consistent with arc formation. In addition we find some evidence that the electronic states lost below the pseudogap energy $Δ_{pg}$ are recovered in the energy region immediately above it at least for temperatures near $T_c$.

研究の動機と目的

• ドーピング不足の正交系-II YBa₂Cu₃O₆.₅₀における面内遠赤外透過率の異常な温度依存的変化を説明すること。
• ARPESで観測されたフェルミ面アークと関連付けることで、銅酸化物系における仮想ギャップの微視的起源についての合意のなさを解消すること。
• 仮想ギャップエネルギー Δpg 以下で失われた電子状態が、それよりわずかに高い領域に回復することで、観測された光学的散乱率の特徴が説明できるかどうかを検証すること。
• 状態保存を考慮した温度依存のフェルミ面アークモデルを組み込むことで、回復なしの従来のモデルと比較して、光学データのフィットを改善すること。

提案手法

• フェルミ面はアンチノード領域でギャップがあり、ノードアークではギャップなしであり、アーク長さが縮小温度 t = T/T* に比例するように、現象論的モデルを構築する。
• 電子状態密度（DOS）は、Δpg 未満で ω に関して2次関数的であり、Δpg から 2Δpg まで、状態保存のため状態回復領域で増幅される。回復領域はすべての欠落状態を含む。
• 電子-ボソンスペクトル関数 I²χ(ω) を用いて光学的散乱率 τ⁻¹(ω) を計算し、31 meV の磁気共鳴ピークとバックグラウンドを含め、中性子散乱データと整合性を持つようにする。
• 複数の温度における実験的光学透過率データに最小二乗法フィッティングを適用し、バックグラウンド振幅と共鳴ピーク面積を変化させる。
• 回復領域を含まない従来のフィッティングと比較し、光学的および中性子散乱データの両面でより良好な一致を示す。
• クレメル＝クロニッヒ解析を用いて、光学的自己エネルギー Σ¹(ω) と散乱率を結びつけ、アークおよび回復効果に起因する対数的構造を明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーピング不足のYBCO 6.50におけるフェルミ面アークの形成が、赤外透過率の異常な温度依存的変化を説明できるか？
• RQ2 仮想ギャップエネルギー Δpg よりもわずかに高い領域に電子状態が回復することで、仮想ギャップエネルギー領域より上での光学的散乱率の増大が説明できるか？
• RQ3 DOSモデルに回復領域を組み込むことで、回復なしのモデルと比較して光学データへのフィットがどの程度改善されるか？
• RQ4 光学的測定における31 meV の磁気共鳴ピーク面積の温度依存性が、非弾性中性子散乱測定とどの程度一致するか？
• RQ5 アークモデルが、ドーピング不足の銅酸化物系で観測された光学的自己エネルギー Σ¹(ω) の実部における特徴的な「ハット型」ピーク構造を説明できるか？

主な発見

• 光学的散乱率データは、仮想ギャップエネルギー領域よりわずかに高いエネルギー領域で明確な増大を示し、これは仮想ギャップエネルギー Δpg よりも高い領域への電子状態の回復によって最もよく説明される。
• フェルミ面アークと状態回復を組み込んだモデルは、回復なしの従来のモデルと比較して、実験的光学透過率データに対して顕著に良好なフィットを示す。
• 回復領域を含めた場合、電子-ボソンスペクトル関数における31 meV の磁気共鳴ピークの面積の温度依存性が、中性子散乱データとよりよく一致する。
• 回復領域の散乱率への寄与は低温で強く、T = T* で消滅する。これは仮想ギャップの閉じる挙動と整合的である。
• アークモデルは、仮想ギャップ領域より低い周波数領域で散乱率曲線が凝集するという特徴を説明でき、回復なしの従来のフィットでは観測されない。
• 回復領域の効果が最も顕著な、散乱率の主な上昇領域の直上領域において、フィット品質が顕著に向上する。