[論文レビュー] Out-of-plane Seebeck coefficient of the cuprate La$_{1.6-x}$Nd$_{0.4}$Sr$_{x}$CuO$_4$ across the pseudogap critical point: particle-hole asymmetry and Fermi surface transformation

Adrien Gourgout, G. Grissonnanche+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、擬似ギャップ臨界ドーピング p* = 0.23 の Nd-LSCOカップレートにおいて、面外方向（S_c）および面内方向（S_ab）のサーベック係数を測定した。p*未満ではS_cが負であることが判明し、フェルミ表面の変化を示している。一方、p*を超える領域ではS_abは正であり、等方的であるため、非フェルミ液体行動に関連する粒子・ホール非対称性が示唆される。主な発見は、S_cの符号反転がp*において電子的構造の根本的変化を示していることである。

ABSTRACT

We report measurements of the Seebeck effect in both the $ab$ plane ($S_{ m a}$) and along the $c$ axis ($S_{ m c}$) of the cuprate superconductor La$_{1.6-x}$Nd$_{0.4}$Sr$_{x}$CuO$_4$ (Nd-LSCO), performed in magnetic fields large enough to suppress superconductivity down to low temperature. We use the Seebeck coefficient as a probe of the particle-hole asymmetry of the electronic structure across the pseudogap critical doping $p^{\star} = 0.23$. Outside the pseudogap phase, at $p = 0.24 > p^{\star}$, we observe a positive and essentially isotropic Seebeck coefficient as $T ightarrow 0$. That $S > 0$ at $p = 0.24$ is at odds with expectations given the electronic band structure of Nd-LSCO above $p^{\star}$ and its known electron-like Fermi surface. We can reconcile this observation by invoking an energy-dependent scattering rate with a particle-hole asymmetry, possibly rooted in the non-Fermi liquid nature of cuprates just above $p^{\star}$. Inside the pseudogap phase, for $ p < p^{\star}$, $S_{ m a}$ is seen to rise at low temperature as previously reported, consistent with the drop in carrier density $n$ from $n \simeq 1 + p$ to $n \simeq p$ across $p^{\star}$ as inferred from other transport properties. In stark contrast, $S_{ m c}$ at low temperature becomes negative below $p^{\star}$, a novel signature of the pseudogap phase. The sudden drop in $S_{ m c}$ reveals a change in the electronic structure of Nd-LSCO upon crossing $p^{\star}$. We can exclude a profound change of the scattering across $p^{\star}$ and conclude that the change in the out-of-plane Seebeck coefficient originates from a transformation of the Fermi surface.

研究の動機と目的

• Nd-LSCOの電子的構造における粒子・ホール非対称性を、擬似ギャップ臨界ドーピング p* = 0.23 の領域で解明すること。
• p = 0.24 > p* において、電子的フェルミ表面の予想に反して異常な正のサーベック係数が観測される理由を調査すること。
• 面外方向のサーベック係数 S_c が、p* においてフェルミ表面トポロジーの変化か、散乱メカニズムの変化を反映しているかどうかを特定すること。
• 擬似ギャップ転移に伴う、散乱駆動型とフェルミ表面駆動型の両寄与がサーベック効果に与える寄与を区別すること。

提案手法

• ドーピング x のNd-LSCO単結晶において、面内方向（S_ab）および面外方向（S_c）のサーベック係数を測定し、p = 0.24 > p* および p < p* の領域をカバーする。
• 高磁場を印加して超伝導性を抑制し、低温度における正規状態に到達する。
• Mott式およびその異方的拡張を用いて、サーベック係数をキャリア密度およびフェルミ表面トポロジーのプローブとして用いる。
• p* を境にS_abおよびS_cの挙動を比較し、特に粒子・ホール非対称性およびフェルミ表面再構成に起因する電子的構造の変化を推論する。
• 温度および磁場依存性の比較により、S_cの異常は散乱率の変化によるものではないことを除外する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜNd-LSCOにおいてp = 0.24 > p* では、電子的フェルミ表面の予想に反してサーベック係数が正であるのか？
• RQ2 なぜ面外方向のサーベック係数S_cがp*未満で負になるのか？
• RQ3 p* を境にS_cが変化するのは、フェルミ表面再構成のためか、散乱率の変化のためか？
• RQ4 電子的構造における粒子・ホール非対称性は、p*近傍のサーベック効果にどのように現れるのか？

主な発見

• p = 0.24 > p* では、サーベック係数S_abは正であり、等方的である。これは電子的フェルミ表面の予想に反するため、粒子・ホール非対称性を示唆する。
• p* = 0.23未満では、低温でS_abが増加し、p*を境にn ≈ 1 + p から n ≈ p へキャリア密度が低下するのと整合的である。
• 面外方向のサーベック係数S_cは、p*未満で負になる。これは、正規状態では観測されない、擬似ギャップ相の新規な特徴である。
• p*を境にS_cが急激に低下することは、散乱率の変化では説明できない。これは、フェルミ表面の根本的変化を示している。
• S_cの符号反転は、電子的構造の変化、特にp*を境にフェルミ表面が再構成されたことによるものとされる。