[論文レビュー] Pseudogap and quantum-transition phenomenology in HTS cuprates

J. L. Tallon, J. W. Loram+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2002

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、高温超伝導体の準ギャップが、超伝導ペア形成の前身ではなく、短距離反強磁性（AF）スピン相関に起因すると提唱する。Cu原子1個あたりのドーピング濃度が臨界値 p_crit = 0.19 に達する地点で、量子ガラス転移が発生し、AFスピン揺らぎが急激に抑制され、(π,0)における準粒子の寿命が回復する。一方、線形抵抗率は p_crit から T=0 まで現れ、量子臨界点（QCP）を示唆する。

ABSTRACT

The low-energy excitation spectrum of HTS cuprates is examined in the light of thermodynamic, transport, quasiparticle and spin properties. Changes in the thermodynamic spectrum associated with the normal-state pseudogap disappear abruptly at a critical doping state, $p_{crit}$ = 0.19 holes per Cu. Moreover, ARPES data at 100K show that heavily damped quasiparticles (QP) near ($π$,0) suddenly recover long lifetimes at $p_{crit}$, reflecting an abrupt loss of scattering from AF spin fluctuations. This picture is confirmed by $μ$SR zero-field relaxation measurements which indicate the presence of a novel quantum glass transition at $p_{crit}$. Consistent with this picture resistivity studies on thin films of Y$_{0.7}$Ca$_{0.3}$Ba$_2$Cu$_3$O$_{7-δ}$ reveal linear behavior confined to a V-shaped domain focussed on $p_{crit}$ at $T$=0. The generic phase behavior of the cuprates may be governed by quantum critical fluctuations above $p_{crit}$ and the pseudogap appears to be caused by short-range AF correlations.

研究の動機と目的

• 高温超伝導体における準ギャップの起源に関する長年の論争を解消すること。
• 準ギャップが超伝導の前身であるのか、あるいは競合する相であるのかを調査すること。
• Cu原子1個あたり0.19ホールのドーピング濃度 p_crit における電子的性質の急激な変化の性質を特定すること。
• 熱力学的・分光的・輸送特性のデータを用いて、p_crit における量子臨界点（QCP）の仮説を検証すること。
• 量子臨界性と短距離AF秩序に基づく、銅酸化物の相挙動を統合的に記述する現象論的枠組みを確立すること。

提案手法

• Y-123、Bi-2212、La-214を対象とした熱力学的データ（比熱、エントロピー、凝縮エネルギー）の分析により、準ギャップエネルギー Eg と準粒子重みを抽出する。
• 角度分解光電子効果分光法（ARPES）を用いて、ドーピングおよび温度の関数として、(π,0)および(π/2,π/2)における準粒子の寿命とスペクトル重みを測定する。
• ゼロ磁場μ粒子スピン緩和（μSR）測定を実施し、相図全体にわたる反強磁性スピン揺らぎのダイナミクスを調べる。
• 外延膜状のY0.7Ca0.3Ba2Cu3O7−δ薄膜における抵抗率測定により、線形T依存性のT–p依存性をマップする。
• La-214における亜鉛（Zn）ドーピングを用いてスピン揺らぎのダイナミクスを調整し、μSR時間窓内での遷移温度 Tf および Tg の変化を観察する。
• エントロピーデータから Eg を抽出するため、状態密度（DOS）を非保存的三角形モデル N(E) = N0(E/Eg) （E < Eg 時）および N(E) = N0 （E > Eg 時）でフィッティングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーピング不足の銅酸化物における準ギャップの起源は何か—予備形成コッポアー対か、競合する反強磁性スピン相関か？
• RQ2 Cu原子1個あたり0.19ホールのドーピング濃度 p_crit における熱力学的および電子的性質の急激な変化は、量子臨界点を示唆するか？
• RQ3 (π,0)近傍の準粒子の寿命は p_crit を超えてどのように変化するか？ これにより反強磁性スピン揺らぎの役割はどのようなものか？
• RQ4 常識領域における線形抵抗率が p_crit を中心とするV字型領域に限定される理由は何か？ これにより量子臨界行動はどのように示唆されるか？
• RQ5 Znドーピングあり・なしのμSR測定により、p_crit におけるスピン揺らぎダイナミクスの性質は何か？

主な発見

• 準ギャップエネルギー Eg と比熱のジャンプ Δγ は両方とも、Cu原子1個あたり0.19ホールのドーピング濃度 p_crit で急激に現れ、鋭い相転移を示唆する。
• 100 KにおけるARPESデータは、(π,0)近傍の準粒子寿命が p_crit で急激に回復することを示し、反強磁性スピン揺らぎからの散乱が突然抑制されることを示す。
• ゼロ磁場μSR緩和測定により、p_crit より低いドーピングでスピン揺らぎが著しく遅くなり、p_crit より高いドーピングで消失することが判明。Tf および Tg の遷移温度は p_crit でゼロに収束する。
• Y0.7Ca0.3Ba2Cu3O7−δ薄膜における抵抗率は、T–p平面でp_critに正確に集中するV字型領域に限定された線形T依存性を示し、T=0 まで線形性が維持される。
• 凝縮エネルギー U0 と超伝導密度は p_crit で急激に減少し、準ギャップ秩序による超伝導基底状態の著しい弱体化を示す。
• Znドーピングによりスピン揺らぎが抑制され、Tf および Tg が高温側にシフトするが、p > p_crit 時に遅いスピン揺らぎは観測されず、AFダイナミクスが上記臨界ドーピングで抑制されていることが確認される。