[論文レビュー] Momentum anisotropy of the scattering rate in cuprate superconductors

A. Kaminski, H. M. Fretwell+12 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2004

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、高温銅酸化物超伝導体における電子散乱率の運動量およびエネルギー依存性を、角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて分析した。非弾性散乱係数（b）は等方的であることが判明し、限界フェルミ液体モデルを支持するが、最適ドーピング試料では弾性散乱係数（a）が顕著に異方的であり、擬似ギャップの運動量依存性と直接相関している。これは、異方性の原因が不純物ではなく、擬似ギャップであることを示している。

ABSTRACT

We examine the momentum and energy dependence of the scattering rate of the high temperature cuprate superconductors using angle resolved photoemission spectroscopy. The scattering rate is of the form a + b*w. The inelastic coefficient b is found to be isotropic. The elastic term, a, however, is found to be highly anisotropic in the pseudogap phase of optimal doped samples, with an anisotropy which correlates with that of the pseudogap. This can be contrasted with heavily overdoped samples, which show an isotropic scattering rate in the normal state.

研究の動機と目的

• 銅酸化物超伝導体の常温状態における電子散乱率の運動量およびエネルギー依存性を特定すること。
• 散乱率の異方性に寄与する内在的電子的効果と外的寄与（例：不純物）を区別すること。
• 散乱率の異方性が擬似ギャップに相関しているのか、またはバイレイヤー効果や不純物に起因するのかを検証すること。
• 非弾性散乱項の等方性を検証することで、銅酸化物における限界フェルミ液体モデルの妥当性を評価すること。
• 散乱率 a + bω の弾性散乱項（a）が、擬似ギャップの影響を受けるのか、あるいはフェルミ速度の異方性に起因するのかを明確にすること。

提案手法

• Bi2212およびBi2201の単結晶を用い、シンクロトロン放射線センターで角度分解光電子分光法（ARPES）を実施。エネルギー分解能は16 meV、運動量分解能は0.01 Å⁻¹であった。
• 半幅全最大（HWHM）を抽出するために、運動量分布曲線（MDC）が分析され、これは自己エネルギーの虚数部 ImΣ(ω) を純粋なフェルミ速度 vF0 で割ったものに比例する。
• 散乱率はエネルギーの線形関数としてモデル化され、a が弾性散乱、b が非弾性寄与を表す：a + bω。
• ImΣ(ω) = a + bω に対してクライマース・クロニッヒ変換を適用し、実部を抽出した。0.5 eV で飽和すると仮定した。
• 擬似ギャップの役割を分離するために、最適ドーピング（Tc = 90 K）と過ドーピング（Tc ≈ 0）のデータを比較した。
• MDC分散からフェルミ速度を抽出し、ImΣ を正規化することで、内在的散乱率の異方性を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最適ドーピングしたBi2212において、散乱率 a + bω の非弾 性散乱係数（b）は運動量空間全体で等方的か？
• RQ2 散乱率の弾性散乱係数（a）は運動量異方性を示すか？ もし示すならば、それは擬似ギャップ構造と相関しているか？
• RQ3 観察された散乱率の異方性は、バイレイヤー分裂や面外不純物に起因するのか？
• RQ4 擬似ギャップが存在しない状態、つまり過ドーピング試料において、散乱率の異方性はどのように変化するか？
• RQ5 擬似ギャップはMDCのライン幅にどの程度影響を与え、これが観察されたa項の異方性を説明できるか？

主な発見

• 最適ドーピングしたBi2212において、散乱率 a + bω の非弾 性散乱係数（b）は運動量空間全体で等方的であり、限界フェルミ液体モデルを支持する。
• 最適ドーピング試料では、弾性散乱係数（a）が顕著に異方的であり、その運動量依存性は擬似ギャップの構造と密接に一致している。
• 過ドーピングしたBi2201では、散乱率およびEDCのラインシェイプが等方的であり、これは擬似ギャップが存在せず、異方的散乱がないことを示している。
• 最適ドーピング試料におけるa項の異方性は、フェルミ速度の異方性やバイレイヤー効果では説明できない。なぜなら、正規化された ImΣ はbについては等方的だが、aについては異方的であるためである。
• 観察されたa項の異方性は、MDCのライン幅に擬似ギャップが与える影響によって最もよく説明できる。HWHMは ω=0 で √(Γ² + Δ²)/vF0 に比例し、Δはギャップを表す。
• 本研究では、輸送解析においてa項を『通常の』自己エネルギーに含めるべきではないと結論づけた。なぜなら、それは内在的散乱ではなく、主に擬似ギャップ効果に起因しているためである。