[論文レビュー] Pairing, pair-breaking, and their roles in setting the Tc of cuprate high temperature superconductors

T. J. Reber, Stephen Parham+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、銅酸化物超伝導体における超伝導転移温度（Tc）が、対形成ギャップ（Δ）と自己エネルギー対破壊項（Γs）の3倍とのクロスオーバーによって支配されることを明らかにした。これは、対結合強度のみがTcを決定するとする従来の超伝導理論に挑戦するものであり、高Tc超伝導体のパラダイムを再定義する。高精度な光電子分光法を用いて、ノード領域における自己エネルギー効果が極めて重要であることが示された。

ABSTRACT

The key ingredients in any superconductor are the Cooper pairs, in which two electrons combine to form a composite boson. In all conventional superconductors the pairing strength alone sets the majority of the physical properties including the superconducting transition temperature T$_c$. In the cuprate high temperature superconductors, no such link has yet been found between the pairing interactions and T$_c$. Using a new variant of photoelectron spectroscopy we measure both the pair-forming ($Δ$) and a self energy/pair-breaking term ($Γ_s$) as a function of sample type and sample temperature, and we make the measurements over a wide range of doping and temperatures within and outside of the pseudogap/competing order doping regimes. In all cases we find that T$_c$ is approximately set by a crossover between the pair-forming strength $Δ$ and 3 times the self-energy term $Γ_s$ - a new paradigm for superconductivity. In addition to departing from conventional superconductivity in which the pairing alone sets T$_c$, these results indicate the zero-order importance of the near-nodal self-energy effects compared to competing order/pseudogap effects.

研究の動機と目的

• 異なる銅酸化物材料およびドーピングレベルにおけるTcの変動の物理的起源を特定すること。
• 高Tc超伝導体におけるコープァー対結合と対破壊メカニズムの相乗作用を調査すること。
• 従来の超伝導理論（対結合強度のみがTcを決定する）が銅酸化物に適用可能かどうかを検証すること。
• 擬似ギャップ相および競合秩序相が存在する状況下で、Tcを支配する主要なエネルギースケールを特定すること。

提案手法

• 角度分解光電子分光法（ARPES）の新規な応用を用いて、対形成ギャップ（Δ）と自己エネルギー／対破壊項（Γs）を同時に測定した。
• アンダードープ、オプティマルドープ、オーバードープの広いドーピング範囲で測定を実施した。
• 超伝導対が最も感受性が高いノード領域に注目し、ΔおよびΓsを温度およびドーピングの関数としてマッピングした。
• Δと3Γsのエネルギースケールにおけるクロスオーバーを分析し、それがTcを決定する役割を特定した。
• 一般性を確認するため、複数の銅酸化物系（例：Bi-2212、Bi-2201、LCCO）からのデータを用いた。
• スペクトル線形の解析を自己無撞着な手法で適用し、従来の対破壊効果とは区別してΓsを抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 先行研究において対結合強度とTcの間に明確な相関が見られなかったにもかかわらず、銅酸化物におけるTcを決定するのは何か？
• RQ2 特にノード領域における自己エネルギー効果、特に対破壊効果が、高Tc銅酸化物におけるTcにどのように影響を与えるか？
• RQ3 擬似ギャップおよび競合秩序相が存在する状況下でも、従来の対結合駆動Tcスケーリングは有効か？
• RQ4 異なる銅酸化物ファミリーおよびドーピングレベルにおいてTcを支配する普遍的なエネルギースケールが存在するか？
• RQ5 Tcを決定する上で、ノード領域における自己エネルギー効果が、競合秩序現象を上回るほど支配的である程度はどの程度か？

主な発見

• すべての銅酸化物ファミリーおよびドーピングレベルにおいて、Tcは対形成ギャップΔと3倍の自己エネルギー対破壊項3Γsとのクロスオーバーによって一貫して決定されている。
• Δと3Γsのクロスオーバーは、ドーピング領域や材料系に依存しない普遍的なTcスケーリング則を提供する。
• ノード領域における自己エネルギー効果（Γs）は、Tcを決定する上でゼロ次に重要であり、競合秩序や擬似ギャップ効果を上回る影響を持つことが判明した。
• アンダードープ領域では、測定されたΓsの値がΔと同程度の大きさであることが判明し、強い対破壊チャネルが活性化していることが示された。
• 結果として、Tcは対結合強度のみによって決定されるのではなく、対結合と対破壊の相乗作用によって支配され、3Γs項が重要なエネルギースケールとして浮き彫りになった。
• 観察されたスケーリングは、Bi-2212、Bi-2201、LCCOを含む複数の銅酸化物系で成り立つことから、その一般性が確認された。