[論文レビュー] Fermi Surface of the Electron-doped Cuprate Superconductor Nd_{2-x}Ce_xCuO_{4} Probed by High-Field Magnetotransport

M. V. Kartsovnı̆k, T. Helm+11 more|Apr 6, 2011

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、高場磁気輸送測定を用いて電子ドーピングされたNd₂₋ₓCeₓCuO₄のフェルミ面を調査し、超伝導性が消滅する前の最大ドーピングレベルx ≈ 0.17まで、磁気的ブレークダウンに起因する高速シャブニコフ＝ド・ヘース（SdH）振動が観測された。結果は、過ドーピング領域にわたり、再構成された多重接続型フェルミ面が持続している直接的証拠を示しており、超格子ポテンシャルが弱まり、超伝導性と同時に消失する可能性があることから、並進対称性の破れと超伝導ペアリングの間に深い関係があることを示唆している。

ABSTRACT

We report on the study of the Fermi surface of the electron-doped cuprate superconductor Nd$_{2-x}$Ce$_x$CuO$_{4}$ by measuring the interlayer magnetoresistance as a function of the strength and orientation of the applied magnetic field. We performed experiments in both steady and pulsed magnetic fields on high-quality single crystals with Ce concentrations of $x=0.13$ to 0.17. In the overdoped regime of $x > 0.15$ we found both semiclassical angle-dependent magnetoresistance oscillations (AMRO) and Shubnikov-de Haas (SdH) oscillations. The combined AMRO and SdH data clearly show that the appearance of fast SdH oscillations in strongly overdoped samples is caused by magnetic breakdown. This observation provides clear evidence for a reconstructed multiply-connected Fermi surface up to the very end of the overdoped regime at $x\simeq 0.17$. The strength of the superlattice potential responsible for the reconstructed Fermi surface is found to decrease with increasing doping level and likely vanishes at the same carrier concentration as superconductivity, suggesting a close relation between translational symmetry breaking and superconducting pairing. A detailed analysis of the high-resolution SdH data allowed us to determine the effective cyclotron mass and Dingle temperature, as well as to estimate the magnetic breakdown field in the overdoped regime.

研究の動機と目的

• 電子ドーピングされた銅酸化物超伝導体のフェルミ面の性質、特に超伝導性が抑制される過ドーピング領域におけるフェルミ面の性質を解明すること。
• 高ドーピング領域においても、フェルミ面が超格子ポテンシャルによって再構成されたままであるかどうかを特定すること。
• Nd₂₋ₓCeₓCuO₄における並進対称性の破れ（超格子ポテンシャルを介して）と超伝導ペアリングの関係を調査すること。
• Ceドーピングの増加に伴う磁気的ブレークダウンおよびサイクロトロン有効質量の変化を特徴付けること。
• 過ドーピング銅酸化物における量子振動データとARPES／バンド構造予測との間に生じる矛盾を解明すること。

提案手法

• 高品質なNd₂₋ₓCeₓCuO₄単結晶（x = 0.13–0.17）を用い、ステディ（最大45 T）およびパルス磁場下での高精度な層間磁気抵抗測定を実施した。
• 角度依存磁気抵抗振動（AMRO）およびシャブニコフ＝ド・ヘース（SdH）振動の解析により、フェルミ面幾何学および有効質量を抽出した。
• 高ドーピング領域での高速SdH振動の存在により、再構成されたフェルミ面ポケットを取り囲む大きな閉じた軌道が示され、磁気的ブレークダウンが同定された。
• 標準的なリフシッツ＝コセヴィッチ解析を用いて、高分解能SdHデータからディングル温度および有効サイクロトロン質量を抽出した。
• 高速振動の振幅および周波数から、磁気的ブレークダウン場および超格子ポテンシャルの強度を推定した。
• AMROおよびSdHデータの統合的解析により、x ≈ 0.17まで多重接続型フェルミ面の存在が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 過ドーピングNd₂₋ₓCeₓCuO₄におけるフェルミ面は、到達可能な最大ドーピング領域まで超格子ポテンシャルによって再構成されたままであるか？
• RQ2 電子ドーピングされた銅酸化物超伝導体において、超格子ポテンシャルの減衰と超伝導性の終了の関係は何か？
• RQ3 過ドーピングNCCOにおける高場磁気輸送応答に現れる磁気的ブレークダウンはどのように現れ、フェルミ面トポロジーについて何を明らかにするか？
• RQ4 過ドーピングNCCOにおいて、高速輸送測定で電子ポケットを検出可能か？もしそうなら、どのような条件下で検出可能か？
• RQ5 SdH振動がx = 0.15未満で消える理由は何か？これはフェルミ面再構成の結果か、軌道的磁気抵抗の抑制によるものか？

主な発見

• x = 0.17でF_fast ≈ 11 kTの高速SdH振動が観測され、ブリユアンゾーンのコーナーに中心を持つ円筒型フェルミ面に一致する大きな閉じたサイクロトロン軌道を示している。
• x = 0.17における高速SdH振動の存在は、磁気的ブレークダウンに起因するとされ、超伝導領域の終焉まで再構成され、多重接続型フェルミ面が持続していることを確認した。
• x = 0.16ではΔ ≈ 14 meV、x = 0.17ではΔ ≈ 5 meVと推定される超格子ポテンシャル強度はドーピング増加に伴い減少し、超伝導性が消滅する（x ≈ 0.175）のと同じキャリア濃度でおそらく消失する。
• SdH振動解析から有効サイクロトロン質量が決定され、ディングル温度が抽出された。これにより、過ドーピング領域における中程度の電子散乱が示された。
• 高速振動の振幅から磁気的ブレークダウン場が推定され、過ドーピング領域における大きな閉じた軌道の存在を裏付けた。
• 結果は、並進対称性の破れ（超格子ポテンシャルを介して）と超伝導ペアリングとの間に密接な関係があることを示唆しており、両現象が同程度のドーピングで消失する。