[論文レビュー] Link between magnetism and resistivity upturn in cuprates: a thermal conductivity study of La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$

Patrick Bourgeois-Hope, S. Y. Li+9 more|Bristol Research (University of Bristol)|Oct 17, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ において 50 mK まで冷却した熱伝導度の測定を通じて、スピン密度波（SDW）秩序とアンダードープな銅酸化物における抵抗率上昇の直接的な関連を確立した。電子的熱伝導度 $κ_0/T$ が高磁場で減少する現象は、SDW 秩序の発現と相関しており、Wiedemann-Franz の法則を用いることで、抵抗率上昇が SDW 秩序に起因することを示した。これは $p^\star$ 未満の領域で主要なメカニズムであると特定された。

ABSTRACT

A key unexplained feature of cuprate superconductors is the upturn in their normal state electrical resistivity $ρ(T)$ seen at low temperature inside the pseudogap phase. We examined this issue via measurements of the thermal conductivity $κ(T)$ down to 50 mK and in fields up to 17 T on the cuprate La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ at dopings $p = 0.13$, 0.136, 0.143 and 0.18. At $p$ = 0.136, 0.143, and 0.18, we observe an initial increase of the electronic thermal conductivity $κ_0/T$ as a function of field, as expected in a $d$-wave superconductor. For $p$ = 0.136 and 0.143, further increasing the field then leads to a decrease of $κ_0/T$, which correlates with the onset of spin density-wave order as observed in neutron scattering experiments on the same samples. This decrease of $κ_0/T$ with field is imposed by the Wiedemann-Franz law and the high value of the resistivity in the high-field normal state of these samples. Our study therefore provides a direct link between magnetism and the resistivity upturn in the pseudogap phase of cuprates. We discuss this scenario in the broader context of other cuprates.

研究の動機と目的

• アンダードープな銅酸化物の準ギャップ相における抵抗率上昇の起源を解明すること。特に超伝導性が存在しない状況下での原因を特定すること。
• 抵抗率上昇が磁気秩序、特にスピン密度波（SDW）秩序に起因しているかどうかを特定すること。
• 抵抗率上昇が準ギャップ相におけるキャリア密度の損失に起因するだけではなく、磁気散乱に起因する追加のメカニズムを必要とすることを検証すること。
• 熱伝導度を抵抗率の代理として用い、中性子線による測定で得られた SDW 秩序の発現と照合する形で、磁場およびドーピング依存性を相関させること。
• LSCO の正規状態における抵抗率上昇の発現と、SDW 秩序の臨界磁場の間の定量的関係を確立すること。

提案手法

• La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ の単結晶試料において、ドーピング $p = 0.13$, 0.136, 0.143, および 0.18 の条件下で、50 mK まで冷却した電子的熱伝導度 $\kappa(T)$ を測定した。
• 超伝導性を抑制し、正規状態にアクセスするために最大 17 T の磁場を印加した。これにより、磁場誘起正規状態における抵抗率の挙動を調査できた。
• 正規状態においてローレンツ比が成り立つと仮定し、Wiedemann-Franz の法則を用いて $\kappa_0/T$ から抵抗率 $\rho(T)$ を推定した。
• 中性子散乱による SDW 秩序の発現と照合し、$H_{\rm SDW}$ を基準として $\kappa_0/T$ の磁場依存性を比較した。
• 高磁場における $\kappa_0/T$ の減少が、SDW 秩序の発現と一致し、$T \to 0$ の極限における抵抗率上昇と相関していることを確認した。
• Znドーピング試料とミュオンスピン緩和データを用いて、低温における磁気秩序と抵抗率上昇の存在を相違検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンダードープな La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ の磁場誘起正規状態において、スピン密度波（SDW）秩序の発現が抵抗率上昇の出現と一致するか？
• RQ2 銅酸化物の準ギャップ相における抵抗率上昇は、キャリア密度の損失に起因するだけであり、磁気散乱に起因する追加のメカニズムは必要か？
• RQ3 準ギャップ相の終了点を示す臨界ドーピング $p^\star$ と、SDW 秩序が現れるドーピングとの関係は何か？
• RQ4 正規状態における熱伝導度 $\kappa_0/T$ の磁場依存性は、特に $T \to 0$ の極限において、抵抗率挙動をどのように反映するか？
• RQ5 磁場による抑制と Zn ドーピングによる抑制の両方において、磁気秩序と抵抗率上昇の関係は一貫性を示すか？

主な発見

• ドーピング $p = 0.136$, $0.143$, および $0.18$ の条件下で、電子的熱伝導度 $\kappa_0/T$ は予想通り $d$-波超伝導体の挙動に従い、磁場が増加すると一時的に上昇した。
• $p = 0.136$ および $0.143$ の場合、さらに磁場を増加させると $\kappa_0/T$ が減少し、中性子散乱で観測されたスピン密度波（SDW）秩序の発現と正確に一致した。
• 高磁場における $\kappa_0/T$ の減少は、Wiedemann-Franz の法則を通じて抵抗率上昇と関連しており、磁気秩序に起因する散乱の増加によって抵抗率が上昇していることを示唆した。
• SDW 秩序の臨界磁場 $H_{\rm SDW}$ と、$T \to 0$ の極限における抵抗率上昇の開始磁場が一致しており、直接的な因果関係が確認された。
• $H_{\rm SDW}(p)$ の外挿線が、超伝導臨界磁場 $H_{\rm c2}(p)$ と $p \simeq 0.18$ で交差しており、$p^\star \simeq 0.18$ と整合的である。これは、超伝導性が存在しない状況下で $p_{\rm SDW} = p^\star$ であることを示唆している。
• SDW 秩序が発現しない試料、例えば YBCO における $p = 0.18$ または Zn ドーピングされた LSCO における $p = 0.18$ では抵抗率上昇が観測されず、抵抗率上昇が磁気秩序に依存することを確認した。