[論文レビュー] Revealing the ortho-II Band Folding in YBa2Cu3O7-delta Films

Yasmine Sassa, M. Radović+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2011

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、空中で脈動レーザー蒸着（in-situ pulsed laser deposition）を用いて酸素秩序のあるYBa2Cu3O7-δ膜を成長させ、高分解能角度分解光電子分光法（ARPES）を実施した。これにより、フェルミ準位における正方晶II型（ortho-II）のバンドフォールディングが直接的に明らかになった。結果は、1次元CuO鎖の秩序によるバンドフォールディングの理論的予測を裏付け、電子的性質の観測に酸素空孔秩序と表面清浄度の両方が不可欠であることを示した。これは、ドーピング不足の銅酸化物超伝導体において、体積電子状態を観測する上で極めて重要である。

ABSTRACT

We present an angle-resolved photoelectron spectroscopy study of YBa2Cu3O7-delta films in situ grown by pulsed laser deposition. We have successfully produced underdoped surfaces with ordered oxygen vacancies within the CuO chains resulting in a clear ortho-II band folding of the Fermi surface. This indicates that order within the CuO chains affects the electronic properties of the CuO2 planes. Our results highlight the importance of having not only the correct surface carrier concentration, but also a very well ordered and clean surface in order that photoemission data on this compound be representative of the bulk.

研究の動機と目的

• 表面の不規則性やドーピングの問題により、長年にわたりYBa2Cu3O7-δにおける正方晶II型バンドフォールディングのARPES観測が困難であったという長年の課題を克服すること。
• ドーピング不足YBCOにおいて、体積に類似した電子状態を観測するためには、CuO鎖における表面酸素空孔秩序が不可欠であることを確立すること。
• ARPESがYBCOの代表的なデータを提供するためには、適切なキャリア濃度と長距離秩序の両方が必要であることを示すこと。
• これまで未確認であった、正方晶II型YBCOにおけるバンドフォールディングを予測する理論モデルの実験的裏付けを提供すること。

提案手法

• 制御された化学 stoichiometry と表面終端を有する高品質で酸素秩序のあるYBa2Cu3O7-δ膜を、空中で脈動レーザー蒸着（PLD）を用いて成長させた。
• スイス光科学研究施設（Swiss Light Source）のSIS X09LAビームラインを用い、70 eVの円偏光光子と高いエネルギー分解能（15–25 meV）を用いて角度分解光電子分光法（ARPES）を実施した。
• 運動量分布曲線（MDCs）を抽出し、ローレンツ関数を用いてフィッティングすることで、フェルミ準位におけるフェルミ運動量（kF）を特定した。
• t = 558 ± 50 meV、t′/t = 0.49 ± 0.03、t′′/t′ = 0.5 ± 0.03、μ = -469 ± 90 meV、V = 75 meV のパラメータを有するタイトビンディングモデルを用いてフェルミ面をシミュレートした。
• （2×1）鎖秩序に起因するa軸方向の単位格子倍増を含む、双子構造を持つ正方晶II型試料の理論的フェルミ面マップを計算した。
• 実験データとシミュレートされた強度マップを比較することで、バンドフォールディングの存在と観測されたkF位置との一致を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面の課題にかかわらず、ARPESを用いてYBa2Cu3O7-δ膜において正方晶II型バンドフォールディングを実験的に観測できるか？
• RQ2 CuO鎖における酸素空孔秩序が表面の安定化およびCuO2面の電子状態に果たす役割は何か？
• RQ3 Kドーピングを施したYBCOを含む、これまでのARPES研究ではなぜ正方晶II型バンドフォールディングが検出されなかったのか？
• RQ4 表面終端とキャリア濃度が、体積電子状態に対するARPESデータの代表性にどの程度影響を及えるのか？
• RQ5 双子構造および（2×1）鎖スーパーパラレル構造が観測されるフェルミ面トポロジーに与える影響は何か？

主な発見

• 空中で成長させた酸素秩序のあるYBCO膜に対するARPES測定により、フェルミ面における正方晶II型バンドフォールディングが明確に観測され、理論的予測が裏付けられた。
• 観測されたフェルミ面は、CuO鎖における酸素空孔秩序に起因する（2×1）スーパーパラレル構造に起因し、ブリユアンゾーンが縮小している。
• フェルミ準位における実験的kF位置は、t = 558 ± 50 meVおよびV = 75 meVを用いたタイトビンディングモデルに基づくシミュレートされた強度マップと良好に一致した。
• 本研究は、表面における酸素空孔秩序が、体積に類似した電子的性質を観測する上で不可欠であることを示し、これまでのARPES研究の失敗要因を説明した。
• 正方晶II型バンドフォールディングを含む理論モデルの妥当性が検証され、ドーピング不足の銅酸化物超伝導体における量子揺らぎや四重対称性の破れを説明する上で関連性がある可能性が示された。
• 本研究は、ARPESが代表的なデータを提供するためには、適切なドーピングと長距離秩序の両方が必要であることを確立し、過去の研究における矛盾を解消した。