[論文レビュー] Infrared Hall effect in underdoped and optimally doped LSCO

Lingyun Shi, D. C. Schmadel+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2005

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、8 Tおよび30–300 Kでマグネトオプティカル測定を用いて、アンダードープおよび最適ドーピングされたLa2-xSrxCuO4（LSCO）薄膜における赤外ホール効果を調査した。ドーピング依存のホール角はドレーブモデルでよく記述され、ホール周波数が空孔ドーピングが減少するにつれて著しく増加することが明らかになった。著者らは、この増加を密度波状態によるフェルミ面再構成ではなく、強い相関電子系における頂点補正に起因すると解釈している。

ABSTRACT

We report a study of magneto-optical properties in the mid-infrared region of a series of La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ samples with hole doping level ranging from severely underdoped ($x=0.03$)to optimally doped ($x=0.15$). The Faraday rotation and circular dichroism are measured in a magnetic field of 8 Tesla and in a temperature range between 30K and 300K. The doping and temperature dependence of infrared Hall angle is found to be understood within a simple Drude model. A significant increase of Hall frequency is observed when the hole doping level is reduced from optimal doping, which is compared with models of the pseudogap.

研究の動機と目的

• アンダードープおよび最適ドーピングされたLSCO薄膜のミッドインフラレッド領域におけるマグネトオプティカル応答を調査すること。
• 観測されたホール角のドーピング依存性が、擬似ギャップまたは相関効果によるフェルミ面再構成を反映しているかどうかを特定すること。
• 銅酸化物系におけるホール周波数の増大の起源を解明するため、CuO鎖を含まないクリーンな系を用いて、議論のあった点を解決すること。
• ドレーブモデルが強い相関、アンダードープ銅酸化物系におけるホール応答を適切に記述できるかどうかを検証すること。
• 光学的ホール応答における密度波誘発フェルミ面再構成と頂点補正効果を区別すること。

提案手法

• 8 Tの磁場下でCO2レーザーを用いてファラデー回転および円二色性を測定し、周波数は約1087 cm⁻¹で行った。
• 高精度な複素ファラデー角の測定に、ZnSeフォトエラスティックモジュレータを採用した。
• ドレーブモデルを用いてホール角θH(ω)を分析した：θH(ω) = ωH / (γH - iω)、ここでωHはホール周波数、γHはホール散乱率である。
• θHの実部および虚部の温度依存性を、γH(T) = a + bT²の形でドレーブ式にフィットさせ、ωH(T)を抽出した。
• 頂点補正を含むフラクチュエーション交換モデルによる理論予測と、観測されたホール周波数の増大を比較した。
• ARPESおよび輸送データを用いて、フェルミ面再構成シナリオとの整合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンダードープLSCOにおける赤外ホール角は、ドーピングおよび温度にどのように依存するか？
• RQ2 ドレーブモデルは、アンダードープ銅酸化物系におけるマグネトオプティカル応答を定量的に記述できるか？
• RQ3 ドーピングが減少するにつれてホール周波数が増大する現象は、密度波状態によるフェルミ面再構成を示唆するか？
• RQ4 電子相関効果、特に頂点補正の役割は、増大したホール周波数を説明するために果たすか？
• RQ5 LSCOにおいてσxxおよびσxyスペクトルにギャップが観測されないことは、ホール応答の解釈にどのように影響するか？

主な発見

• LSCOにおけるホール角の温度およびドーピング依存性は、γH(T) = a + bT²の単純なドレーブモデルでよく記述される。
• ホール周波数ωHは、空孔ドーピングが減少するにつれて著しく増加し、x = 0.03で1.25 cm⁻¹から、より高いドーピングで低い値を示した。
• 全ドーピングレベルにおいてωHは弱い温度依存性を示し、特にx = 0.03で最大の増加が観測された。
• ドーピングが減少するに従ってωHが増大する現象は、単純なフェルミ面体積の減少とは整合しないが、強い相関系における頂点補正と整合的である。
• 縦方向および横方向の伝導度スペクトルにギャップが存在しないことは、ホール応答の増大が密度波ギャップに起因するとは考えられないことを示している。
• 結果は、フラクチュエーション交換モデルにおける頂点補正が、増大したホール周波数を説明するものであり、フェルミ面再構成とは異なる解釈を支持する。