[論文レビュー] From Mott to not: phenomenology of overdoped cuprates

N. R. Lee-Hone, H. U. Özdemir+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 54被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、LSCO や Tl-2201 などの過ドーピング銅酸化物が、特異な物理を必要とせず、不純物を含む d 波 BCS 理論にフェルミ液体の修正を加えたもので正確に記述可能であると提唱している。理論と実験データ（比熱、熱伝導率、テラヘルツ伝導度）の一致が、独立して得られた不純物パラメータを用い、調整パラメータなしに過ドーピング領域全域で極めて良好であることを示している。

ABSTRACT

Recently, we have argued that experimental data on superfluid density and terahertz conductivity of overdoped LSCO are compatible with a Landau Fermi liquid/Bardeen-Cooper-Schrieffer description of these samples, provided dopants are treated within "dirty $d$-wave theory" as weak scatterers. Here we test these ideas by comparing to specific heat and thermal conductivity data on LSCO, showing that the theory works extremely well across the overdoped region for similar disorder parameters. We then study the same properties in another overdoped cuprate, Tl-2201, thought to be quite "clean" since it exhibits quantum oscillations, low residual resistivities and small superconducting state Sommerfeld coefficients. Our results are consistent with the Tl-2201 system being $\approx 3$ times cleaner due in part to the dopant atoms' being located further from the CuO$_2$ plane. We conclude that cuprates can be described semiquantitatively in the overdoped regime by "dirty $d$-wave" theory, subject to significant Fermi liquid renormalizations, without introducing physics beyond the Landau-BCS paradigm.

研究の動機と目的

• 不純物を含む d 波 BCS 理論にフェルミ液体の修正を加えたものが、過ドーピング銅酸化物の実験データを定量的に記述できるかを検証すること。
• 銅酸化物の平面における普遍的な物理と、銅酸化物ファミリー間で広範にわたる Tc のばらつきとの間にある顕著な矛盾を解消すること。
• 過ドーピング領域における Tc の低下が、ドーパント由来の不純物散乱—内在的な電子的効果よりも—支配的であるかどうかを検討すること。
• LSCO と Tl-2201 の過ドーピング領域における挙動を比較し、異なる不純物レベルを用いて不純物を含む d 波モデルの頑健性を検証すること。
• Tl-2201 などのクリーンな過ドーピング銅酸化物における光学伝導度を予測するフレームワークを提供すること。この系にはまだテラヘルツデータが存在しない。

提案手法

• ARPES 測定から得られたパラメータを用いて、過ドーピング銅酸化物における電子的構造をモデル化した現実的なタイトビンディングフェルミ表面を用いる。
• 磁気的でない不純物を短距離散乱子としてモデル化した不純物を含む d 波 BCS 理論を適用し、s 波および d 波のペアリングチャンネルを両方とも組み込む。
• 比熱および抵抗率データから得られる有効質量増大を用いて、フェルミ液体の修正を組み込む。
• 自己エネルギー補正と頂点効果を単純化のため無視して、Kubo 公式を用いて光学伝導度 σ1(Ω) を計算する。
• 複数の物理量にわたって同一の不純物パラメータ（Tl-2201 では ΓN/π = 6 K、LSCO では 18 K）を用い、フィッティングなしに一貫性を検証する。
• 理論的予測を、超流動密度、比熱、熱伝導率、テラヘルツ伝導度の実験データと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不純物を含む d 波 BCS 理論にフェルミ液体の修正を加えたモデルが、調整パラメータなしに過ドーピング LSCO における比熱および熱伝導率を定量的に記述できるか？
• RQ2 Tl-2201 の不純物レベルは LSCO よりもどの程度低いのか？ そして、これは Tl-2201 の高い Tc と低い残留抵抗率を説明できるか？
• RQ3 Tl-2201 はより低い不純物レベルにあり、量子振動が観測されているが、同じ理論的枠組みが Tl-2201 の光学伝導度を予測できるか？
• RQ4 過ドーピング領域における Tc の低下は、内在的な電子相関よりも、不純物—すなわち散乱—に起因する程度はどの程度高いのか？
• RQ5 Landau-BCS パラダイムは、超伝導状態が従来の超伝導性を超える新しい物理を仮定せずに、過ドーピング銅酸化物の超伝導状態を記述できるか？

主な発見

• 不純物を含む d 波 BCS モデルにフェルミ液体の修正を加えたものでは、以前の研究から得られた不純物パラメータのみを用いても、過ドーピング LSCO における比熱および熱伝導率の実験データと極めて良好に一致する。
• Tl-2201 は LSCO よりも約 3 倍クリアで、不純物散乱率が低く（ΓN/π = 6 K 対 18 K）、残留抵抗率が低く、量子振動が観測されていることと整合的である。
• このモデルでは、Tl-2201 は LSCO よりもはるかに高い常態伝導度と低い残留スペクトル重みを予測しており、よりクリーンな系の期待と一致する。
• Tl-2201 では低温で狭い低周波数伝導度ピークが観測され、LSCO には見られない。これは、より強いコherence と低減した不純物散乱を示している。
• スピンフラクチュエーションを含めた場合、Tl-2201 の光学伝導度に顕著な「4Δ」特徴が理論的に予測され、類似系での以前の観測結果と整合的である。
• LSCO と Tl-2201 間の比較において調整パラメータは一切使用せず、複数の実験的物理量にわたる一致は、不純物を含む d 波 BCS フレームワークの頑健性を支持している。