[논문 리뷰] Change in sign of the Hall coefficient from Fermi surface curvature in underdoped high Tc copper oxide superconductors

N. Harrison, Suchitra E. Sebastian|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 08.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 과도도핑된 고온 초전도체에서 홀 계수의 부호 역전 현상이 다이아몬드 모양의 전자 페르미 표면 풍경에서 발생하는 페르미 표면 곡률에 기인하며, 다중 페르미 표면 풍경이 아닌 것으로 제안한다. 균일한 산란 시간을 가진 쇼크리지-챔버스 튜브 적분 방법을 사용하여, 단일 풍경 틀 안에서 관측된 부호 역전, 양의 자기저항, 홀 계수의 양자 진동과 같은 정상 상태 운반체의 핵심 특성을 재현한다.

ABSTRACT

It has recently been proposed that the Fermi surface of underdoped high Tc copper oxide materials within the charge-ordered regime consists of a diamond-shaped electron pocket constructed from arcs connected at vertices. We show here that on modeling the in-plane magnetotransport of such a Fermi surface using the Shockley-Chambers tube integral approach and a uniform scattering time, several key features of the normal state in-plane transport of the underdoped copper oxide systems can be understood. These include the sign reversal in the Hall coefficient, the positive magnetoresistance and magnetic quantum oscillations in the Hall coefficient.

연구 동기 및 목표

• 과도도핑된 고온 초전도체에서 저온에서 실험적으로 관측된 홀 계수의 부호 역전을 설명하기 위해.
• 다중 페르미 표면 풍경이 없이도 페르미 표면 곡률만으로 홀 계수의 자기장 및 온도 의존성이 설명될 수 있는지 조사하기 위해.
• 전하 정렬로 인해 생긴 단일 다이아몬드 모양의 전자 페르미 표면 풍경이 양의 자기저항 및 홀 계수의 양자 진동을 재현할 수 있는지 확인하기 위해.
• 열용량 및 양자 진동 데이터와 같은 보조 측정 결과와 모델의 일관성을 평가하기 위해.
• 산란 시간의 변화 및 페르미 속도 이방성의 곡률이 있는 페르미 표면 풍경 풍경에서 홀 반응에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 다이아몬드 모양의 전자 페르미 표면 풍경에 대해 단일 균일 산란 시간 모델에 쇼크리지-챔버스 튜브 적분 방법을 적용한다.
• 시간에 따른 페르미 속도 및 산란 시간의 궤도를 따라 시간 의존 적분을 사용하여 대각선(σxx) 및 비대칭(σxy) 도전도 성분을 계산한다.
• 홀 계수 RH는 RH = (1/B) × σxy / (σxy² + σxx²)로 계산되며, 임의의 자기장에서의 전체 도전도 텐서로부터 유도된다.
• 페르미 속도 성분 vx 및 vy는 시간 t와 호 각도 α의 함수로 매개변수화되며, 다이아몬드 기하학을 반영하는 주기적 경계 조건을 가진다.
• RH의 양자 진동은 산란 시간 τ⁻¹을 τ̃⁻¹ ≈ (1 + 2cos(2πF/B − π)e⁻π/ωτ)τ⁻¹의 진동형태로 대체함으로써 모델링되며, 페르미의 금색 규칙 및 밀도 상태 진동에 기반한다.
• YBa₂Cu₃O₆₊ₓ, YBa₂Cu₄O₈, HgBa₂CuO₄₊δ의 실험 데이터와의 비교를 통해 모델을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 과도도핑된 쿠퍼트라이브에서 홀 계수의 부호 역전 현상이 단일 다이아몬드 모양의 전자 페르미 표면 풍경에서의 페르미 표면 곡률로 설명될 수 있는가?
• RQ2 균일한 산란 시간을 가진 쇼크리지-챔버스 형식이 정상 상태에서 관측된 자기저항 및 홀 계수 행동을 재현하는가?
• RQ3 다중 페르미 표면 풍경을 도입하지 않더라도 단일 곡률 페르미 표면 풍경 풍경에서 홀 계수의 양자 진동이 나타날 수 있는가?
• RQ4 다이아몬드 모양의 풍경의 곡률 각도 α가 홀 계수의 크기 및 부호에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 YBa₂Cu₃O₆₊ₓ에서 산란 시간, 효율 질량, 딘클 온도에 대한 실험 데이터와 모델이 일관성이 있는가?

주요 결과

• 모델은 YBa₂Cu₃O₆₊ₓ, YBa₂Cu₄O₈, HgBa₂CuO₄₊δ에서 실험 데이터와 일치하는 저온에서 홀 계수의 양성에서 음성으로의 부호 역전을 재현한다.
• 홀 계수는 고자기장에서趋세를 보이며, 고자기장 한계에서 −1/en으로 수렴하여 단일 전자 풍경과 일치한다.
• 양의 자기저항 ρxx는 모델에서 자연스럽게 재현되며, 다이아몬드 모양의 풍경의 곡률 각도 α가 클수록 증가한다.
• 산란 시간 τ⁻¹이 진동형태 τ̃⁻¹으로 대체될 경우, RH의 양자 진동이 예측되며, 큰 α에 대해 진폭이 RH의 상당한 비율에 도달한다.
• 산란 시간 τ⁻¹(디널 온도로 근사화됨)을 통해 온도 의존성을 설명하며, 실험적 RH(T) 데이터와 정성적으로 일치한다.
• 공간적으로 변하는 τ⁻¹(정점 쪽으로 감소)을 포함함으로써 RH에 대한 음성 기여가 감소하며, 더 작은 α 값에서의 부호 역전이 가능해져 실험적 경향과 일치한다.