[論文レビュー] Thermo-Electric Study of Fermi Surface Reconstruction in YBa$_2$Cu$_3$O$_y$

J. Chang, Ramzy Daou+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2009

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、YBa₂Cu₃Oᵧにおけるp = 0.12でのフェルミ面再構築が、他の銅酸化物におけるストライプ秩序に類似した密度波機構に起因するものであると提案する。外部磁場を印加した正規状態（H ≥ 30 T）において、低温で大きな負のサーベック係数とネルンスト係数が確認され、小規模な電子的性質のフェルミ面ポケットが存在することを裏付けている。S(T)の符号反転が約50 Kで観測され、これは関連する化合物におけるストライプ秩序と関連する挙動と類似している。

ABSTRACT

The Seebeck and Nernst coefficients $S$ and $ u$ of the cuprate superconductor YBa$_2$Cu$_3$O$_y$ (YBCO) were measured in a single crystal with doping $p = 0.12$ in magnetic fields up to H = 28 T. Down to T=9 K, $ u$ becomes independent of field by $H \simeq 30$ T, showing that superconducting fluctuations have become negligible. In this field-induced normal state, $S/T$ and $ u/T$ are both large and negative in the $T o 0$ limit, with the magnitude and sign of $S/T$ consistent with the small electron-like Fermi surface pocket detected previously by quantum oscillations and the Hall effect. The change of sign in $S(T)$ at $T \simeq 50$ K is remarkably similar to that observed in La$_{2-x}$Ba$_x$CuO$_4$, La$_{2-x-y}$Nd$_y$Sr$_x$CuO$_4$ and La$_{2-x-y}$Eu$_y$Sr$_x$CuO$_4$, where it is clearly associated with the onset of stripe order. We propose that a similar density-wave mechanism causes the Fermi surface reconstruction in YBCO.

研究の動機と目的

• 高磁場下での熱電輸送を用いて、最適ドーピング（p = 0.12）におけるYBa₂Cu₃Oᵧのフェルミ面の性質を調査すること。
• 超伝導フラクチュエーションが正規状態の電子応答を隠ぺいするかどうかを特定し、磁場誘起正規状態を分離すること。
• 約50 Kで観測されたサーベック係数の符号反転が、他の銅酸化物におけるストライプ秩序に類似した密度波不安定性と関連しているかどうかを検証すること。
• 量子振動およびホール効果測定で示された小規模な電子的性質のフェルミ面ポケットと一致するように、熱電係数を相関させること。

提案手法

• 磁場を最大28 Tまで印加した単結晶YBCO試料（p = 0.12）で、サーベック（S）およびネルンスト（u）係数を測定した。
• 超伝導フラクチュエーションが消える磁場領域（H ≥ 30 T）を特定し、磁場誘起正規状態を定義した。
• 低温極限におけるS/Tおよびu/Tの温度依存性を解析し、フェルミ面のトポロジーを調査した。
• ストライプ秩序が確認されたLa₂₋ₓSrₓCuO₄および関連化合物で観測された類似の挙動と、S(T)の符号反転を比較した。
• S/Tの符号および大きさを用いてキャリアの性質とフェルミ面の幾何学的形状を推定し、以前の量子振動およびホール効果測定と整合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場誘起正規状態におけるYBCOのフェルミ面の性質は何か？
• RQ2 約50 Kで観測されたサーベック係数の符号反転は、密度波のような空間対称性の破れを示す遷移を示唆するか？
• RQ3 熱電係数Sおよびuは、小規模な電子的性質のフェルミ面ポケットの存在をどのように反映するか？
• RQ4 YBCOにおけるS(T)の挙動は、ストライプ秩序が既知のLa₂₋ₓSrₓCuO₄などの他の銅酸化物とどの程度類似しているか？
• RQ5 高磁場下での熱電測定により、正規状態の応答を分離し、電子秩序の兆候を明らかにできるか？

主な発見

• H ≥ 30 Tの領域では、超伝導フラクチュエーションは無視できるほど小さく、YBCOにおける磁場誘起正規状態にアクセス可能である。
• 磁場誘起正規状態では、低温でS/Tおよびu/Tの両方が大きく負であり、小規模な電子的性質のフェルミ面ポケットと整合する。
• S/Tの大きさと符号は、以前の量子振動およびホール効果測定と一致しており、小規模な電子ポケットの存在を確認している。
• S(T)の符号反転はT ≈ 50 Kで観測され、これはストライプ秩序がフェルミ面再構築を引き起こすことが知られているLa₂₋ₓSrₓCuO₄および関連化合物で観測された挙動と顕著に類似している。
• 異なる銅酸化物間でS(T)の挙動が類似していることから、フェルミ面再構築を駆動する共通のメカニズム（おそらく密度波状態）がYBCOに存在する可能性が示唆される。