[論文レビュー] Quantum oscillations in underdoped YBa_2Cu_3O_6.5

Cyril Jaudet, Julien Levallois+9 more|Bristol Research (University of Bristol)|Jan 10, 2010

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 26被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、シュビニコフ＝ド・ハースおよびド・ハース＝ヴァン・アルペン効果を通じて、アンダードープYBa₂Cu₃O₆.₅₁における量子振動を報告し、第一ブリユアンゾーンのおよそ1.9%を占める小さな一貫性のあるフェルミ面ポケットの存在を確認した。観測された周波数F = 530 ± 10 Tは、銅原子あたり0.038の低キャリア密度に対応し、バンド構造の予測とは一致しない顕著なフェルミ面再構築を示しており、準ギャップ相における強い電子相関または競合秩序の存在を示唆している。

ABSTRACT

Shubnikov-de Haas and de Haas-van Alphen effects have been measured in the underdoped high temperature superconductor YBa$_2$Cu$_3$O$_{6.51}$. Data are in agreement with the standard Lifshitz-Kosevitch theory, which confirms the presence of a coherent Fermi surface in the ground state of underdoped cuprates. A low frequency $F = 530 \pm 10$ T is reported in both measurements, pointing to small Fermi pocket, which corresponds to 2% of the first Brillouin zone area only. This low value is in sharp contrast with that of overdoped Tl$_2$Ba$_2$CuO$_{6+δ}$, where a high frequency $F = 18$ kT has been recently reported and corresponds to a large hole cylinder in agreement with band structure calculations. These results point to a radical change in the topology of the Fermi surface on opposing sides of the cuprate phase diagram.

研究の動機と目的

• 量子振動測定を用いて、アンダードープ銅酸化物YBa₂Cu₃O₆.₅₁に一貫性のあるフェルミ面が存在するかを確認すること。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）がフェルミアークを示すのに対し、量子振動が閉じたポケットを示すという長年の矛盾を解消すること。
• リフシッツ＝コセヴィッチ理論および高磁場パルス磁場測定を用いて、準ギャップ相におけるフェルミ面トポロジーとキャリア密度を特定すること。
• 過ドープTl₂Ba₂CuO₆₊δと比較して、アンダードープYBa₂Cu₃O₆.₅₁におけるフェルミ面トポロジーを対比すること。
• 銅酸化物相図全体にわたるフェルミ面トポロジーの劇的変化、特にアンダードープ領域における原因を調査すること。

提案手法

• アンダードープYBa₂Cu₃O₆.₅₁単結晶における横方向磁気抵抗（Rxx）およびホール抵抗（Rxy）の高磁場（最大60 T）パルス磁場測定を実施した。
• ピエゾレジストイブマイクロカンチレバーを用いたトルク磁化率測定により、0.5 Kまでの低温でド・ハース＝ヴァン・アルペン（dHvA）振動を検出した。
• 2次元一般化フェルミ液体に対する標準的なリフシッツ＝コセヴィッチ（LK）理論を適用し、振動振幅を解析し、有効質量（m*）およびディングル温度（T_D）を抽出した。
• 振動信号のフーリエ変換を用いて量子振動周波数Fを抽出し、温度依存的振幅フィッティングから位相および減衰要因を導出した。
• オンサーガー関係式F = (Φ₀ / 2π²) Aₖを用いて、測定された周波数からフェルミ面断面積Aₖを計算した。
• SdHおよびdHvA測定結果を比較することで一貫性を確認し、LK理論が量子振動を記述する上で有効であるかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンダードープ銅酸化物YBa₂Cu₃O₆.₅₁は、量子振動が示唆するように、一貫性のある閉じたフェルミ面を有するか？
• RQ2 YBa₂Cu₃O₆.₅₁の準ギャップ相におけるフェルミ面のサイズとトポロジーは何か？ また、バンド構造の予測とはどのように異なるか？
• RQ3 なぜアンダードープ銅酸化物におけるフェルミ面は、Tl₂Ba₂CuO₆₊δで観測されたような大きなホールシリンダー（65%のFBZ）とは著しく異なるのか？
• RQ4 競合秩序、スピン密度波、または軌道電流といった物理的メカニズムのうち、どれがアンダードープ領域におけるフェルミ面再構築を引き起こすと考えられるか？
• RQ5 観測された量子振動は、高Tc超伝導体におけるラットラーの和則および従来のフェルミ液体像をどの程度支持または反証するか？

主な発見

• シュビニコフ＝ド・ハースおよびド・ハース＝ヴァン・アルペン測定の両方で、一貫してF = 530 ± 10 Tの単一の量子振動周波数が観測され、一貫性のあるフェルミ面ポケットの存在を示した。
• フェルミ面断面積Aₖ = 5.1 nm⁻²は、第一ブリユアンゾーンのおよそ1.9%を占める小さなフェルミ面を示しており、非常に小さなフェルミ面であることが判明した。
• 有効質量はm* = 1.76 m₀と決定され、ディングル温度はT_D = 6.2 ± 1.2 Kと求められ、平均自由行程は約160 Åに相当した。
• 振動位相因子γ = 0.15 ± 0.05は、電子的性質のポケットと整合しており、ホール的フェルミ面ではなく電子的ポケットの存在を支持した。
• オンサーガー関係式から導かれたキャリア密度は、銅原子あたり0.038であり、顕著なドーピングレベル（p ≈ 0.1）よりも著しく低いことが判明し、ラットラーの和則の破れを示唆した。
• 観測された小さなフェルミ面は、過ドープTl₂Ba₂CuO₆₊δで観測された大きなホールシリンダー（FBZの65%）と顕著に異なることを示し、銅酸化物相図全体にわたるフェルミ面トポロジーの劇的変化を強調した。