[論文レビュー] Pseudogap State in High-$T_c$ Superconductors: an Infrared Study

A. V. Puchkov, D. N. Basov+1 more|ArXiv.org|Nov 12, 1996

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用数 45

ひとこと要約

本研究では、高温超伝導体のアンダードープ領域における準ギャップ状態を、ab面の電荷ダイナミクスの赤外分光法を用いて調査している。複数の銅酸化物ファミリーにわたる光学データに対してマーモリーファンクション解析を適用することで、特徴的な温度T*未満で約700–800 cm⁻¹未満の逆緩和率1/τ(ω)に普遍的な低下が観察され、T*はTcより大きく、正規状態においても持続する。これは、超伝導転移よりも前に電子応答に事前に形成されたギャップが存在することを強く示唆する。

ABSTRACT

We report on a study of the electromagnetic response of three different families of high-T_c superconductors that in combination allowed us to cover the whole doping range from under- to overdoped. The discussion is focused on the ab-plane charge dynamics in the {\it pseudogap state} which is realized in underdoped materials below a characteristic temperature T^*; a temperature that can significantly exceed the superconducting transition temperature T_c. We explore the evolution of the pseudogap response by changing the doping level, by varying the temperature from the above to below T^*, or by introducing impurities in the underdoped compounds. We employ a memory-function analysis of the ab-plane optical data that allows us to observe the effect of the pseudogap most clearly. We compare the infrared data with other experimental results, including c-axis optical response, dc transport, and angular resolved photoemission.

研究の動機と目的

• 赤外分光法を用いて、ドーピング範囲全域にわたる高温超伝導体における準ギャップ状態の性質を調査すること。
• 準ギャップが、T*未満でab面電荷ダイナミクスの低エネルギー励起の抑制として現れるかどうかを特定すること。
• アンダードープ化合物におけるドーピング、温度、不純物置換（Zn）に伴う準ギャップの進化を検討すること。
• ab面光学応答とc軸伝導度、dc輸送、ARPESデータを比較することで、準ギャップの統一的画像を構築すること。
• フォノンおよび電子-フォノン結合が観察された光学的特徴に果たす役割を評価すること、特に準ギャップの文脈において。

提案手法

• Bi2212、Tl2201、Y123、Y124の3つの銅酸化物ファミリーについて、アンダードープからオーバードープ領域にわたるab面の赤外反射率および光学伝導度を測定した。
• ab面光学伝導度データから逆緩和率1/τ(ω)を抽出するためにマーモリーファンクション解析を適用し、準ギャップ効果の明確な可視化を可能にした。
• 温度をT*を超えてから低下させる変化と、Y124にZn不純物を導入することで準ギャップの進化を追跡した。
• c軸光学応答、dc抵抗率、ARPESデータと照合することで、異なる実験的プローブ間での準ギャップの一致を確認した。
• デットワンされたY123結晶とac面測定を用いて、c軸LOフォノン結合効果からab面応答を分離した。
• 1/τ(ω)の周波数および温度依存性を分析し、電子-ボソン結合と内在的準ギャップ挙動の区別を図った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 準ギャップ状態は、T*未満でab面において低エネルギー電荷励起の抑制として現れるか？
• RQ2 ドーピングに伴い準ギャップはどのように進化するか？また、ドーピング相図の予測に従い、最適ドーピングでT*がTcを通過するか？
• RQ3 Zn不純物はab面およびc軸応答における準ギャップにどのような影響を及ぼし、T*を抑制するか？
• RQ4 1/τ(ω)の周波数依存性挙動は、電子-ボソン結合と整合的か、それとも内在的電子相関に起因するか？
• RQ5 ab面光学特徴は、同じ材料におけるc軸伝導度およびdc輸送の異常とどのように比較できるか？

主な発見

• すべてのアンダードープ銅酸化物で、T*未満で約700–800 cm⁻¹未満の逆緩和率1/τ(ω)に普遍的な低下が観察され、低エネルギー電荷励起の抑制を示している。
• アンダードープ材料では、準ギャップ発生温度T*はTcよりも顕著に高く、ドーピングが増加するにつれて減少し、最適ドーピングでTcを通過する。
• オーバードープ領域では、準ギャップ特徴が消失し、1/τ(ω)は強い温度依存性を示すが、アンダードープ化合物では高温域で温度に依存しない1/τ(ω)を示すのと対照的である。
• Znドーピングはab面およびc軸応答の両方における準ギャップを抑制し、1/τ(ω)の挙動をオーバードープ材料に近づける。これは、準ギャップが不純物に対して感受性であることを示唆している。
• 1/τ(ω)の急激な上昇領域の周波数範囲は酸素フォノン周波数に中心を置いており、温度やドーピングにほとんど変化しない。これはフォノンが間接的に関与している可能性を示唆している。
• ドレーゲピークの狭小化および低周波数領域へのスペクトル重み移動といった観察された光学的応答は、従来の超伝導ギャップではなく、準ギャップに起因するキャリア散乱率の低下と整合的である。