[논문 리뷰] Arc-to-pocket transition and quantitative understanding of transport properties in cuprate superconductors

Wojciech Tabiś, Petar Popčević외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 14.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 26인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 중간 농도 도핑된 HgBa₂CuO₄+δ에서 평면 자기장 전도도 측정을 수행하여 고자기장에서 호형 Fermi 표면 잔여물에서 재구성된 전자형 포켓으로의 정량적 전이를 규명한다. 연구는 정상 상태와 재구성 상태 모두에서 Umklapp 산산이 주요 준입자 산산 메커니즘임을 규명하여 코발트산염 상도도 전역에서의 전도성에 대한 통합적 이해를 제공한다.

ABSTRACT

Despite immense efforts, the cuprate Fermi surface (FS) has been unambiguously determined in only two distinct, low-temperature regions of the phase diagram: a large hole-like FS at high doping, and a small electron-like pocket associated with charge-density-wave driven FS reconstruction at moderate doping. Moreover, there exists incomplete understanding of the reconstructed state, which is stabilized by high magnetic fields, and its connection with the normal state that consists of arc-like remnants of the large underlying FS. Part of the problem is that compound-specific idiosyncrasies, such as disorder effects and low structural symmetry, can obscure the fundamental properties of the quintessential CuO$_2$ planes. Here we present planar magnetotransport measurements for moderately-doped HgBa$_2$CuO$_{4+δ}$ that enable a quantitative understanding of the phase transition between the normal and reconstructed states and of the charge transport in the latter, and that demonstrate that the quasiparticle scattering rate in both states is due to Umklapp scattering. Building on prior insights, we furthermore arrive at a comprehensive understanding of the evolution of the planar transport properties throughout the entire cuprate phase diagram.

연구 동기 및 목표

• 중간 도핑에서 코발트산염 Fermi 표면의 오랜 의문을 해결하기 위해 고도로 재구성된 상태의 성격을 규명하는 것.
• 고자기장 하에서 정상 상태(호형 Fermi 표면)와 재구성 상태(전자형 포켓) 사이의 관계를 명확히 하는 것.
• 상전이를 거쳐 전도성 특성을 정량화하고, 두 상태 모두에서 지배적인 산산 메커니즘을 규명하는 것.
• 특정 화합물의 불순물과 저대칭성의 영향을 최소화하면서 코발트산염 상도도 전역에서 평면 전도성의 통합적 기술을 제공하는 것.

제안 방법

• 저온 및 고자기장 조건에서 단결정 HgBa₂CuO₄+δ를 대상으로 평면 자기장 전도도 측정을 수행하는 것.
• 양자 진동 및 자기저항 데이터를 분석하여 Fermi 표면의 기하학적 구조와 효과 질량을 추출하는 것.
• 관측된 저항도의 온도 및 자기장 의존성을 설명하기 위해 Umklapp 산산 모델을 적용하는 것.
• 정상 상태(호형)와 재구성 상태(포켓)의 전도성 행동을 비교하여 보편적인 산산 메커니즘을 규명하는 것.
• 고자기장 전도도 측정을 통해 재구성 상태를 안정화하고 직접적으로 정상 상태와 비교할 수 있도록 하는 것.
• HgBa₂CuO₄+δ의 높은 대칭성과 낮은 불순물 농도를 활용하여 외부 효과에서 분리된 본질적인 평면 전도성 물리를 규명하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코발트산염에서 호형 잔여 Fermi 표면에서 재구성된 전자형 포켓으로의 Fermi 표면 전이의 성격은 무엇인가?
• RQ2 HgBa₂CuO₄+δ에서 호-포켓 전이를 거쳐 전도성 특성은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 코발트산염 시스템의 정상 상태와 재구성 상태에서 지배적인 준입자 산산 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 재구성 상태의 전도성 행동이 Umklapp 산산에 의해 정량적으로 얼마나 잘 기술될 수 있는가?
• RQ5 HgBa₂CuO₄+δ의 평면 전도성은 어떻게 코발트산염 상도도 전역의 통합적 이해를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 고자기장 평면 자기장 전도도 측정을 통해 호형 Fermi 표면 잔여물에서 재구성된 전자형 포켓으로의 전이가 정량적으로 규명되었다.
• 정상 상태(호형)와 재구성 상태(포켓) 모두에서 준입자 산산률이 Umklapp 과정에 의해 지배되며, 이는 보편적인 산산 메커니즘을 시사한다.
• 재구성 상태에서 준입자의 효과 질량은 작은 전자형 포켓과 일치하여 전하 밀도파 유도 Fermi 표면 재구성의 존재를 확인한다.
• 관측된 자기저항 및 양자 진동 데이터는 상전이를 거쳐도 혼합된 전도성의 일관된 그림을 지지하며, 불순물 유도 산산의 지배적 영향을 뒷받침하는 증거는 없다.
• 재구성 상태의 전도성 행동은 Umklapp 산산에 의해 정량적으로 설명되며, 추가적인 산산 메커니즘의 도입이 필요하지 않다.
• 결과는 특히 정상 상태와 재구성 상태 사이의 격차를 메우는 데 기여하며, 전체 코발트산염 상도도 전역에서 평면 전도성의 통합적 기반을 제공한다.