[논문 리뷰] Coexisting pseudo-gap and superconducting gap in the high-Tc superconductor La2-xSrxCuO4

T. Yoshida, Walid Malaeb외 13명|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 14.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 각도 분 giải 광전자 방출 분광법(ARPES)을 사용하여, 과도도화된 La2-xSrxCuO4(x=0.10, 0.14)에서 반도체 갭이 아닌 순수한 d파동 초전도 갭이 반도핑 영역에서 더 큰 허위 갭과 공존하며, 초전도 피크가 허위 갭 위에 나타나는 것을 입증한다. d파동 갭 매개변수 Δ₀는 거의 도핑에 의존하지 않으며(~12–14 meV) 이는 두 갭의 기원이 다름을 시사하며 고온 초전도체에서의 이중 갭 시나리오를 지지한다.

ABSTRACT

Relationship between the superconducting gap and the pseudogap has been the subject of controversies. In order to clarify this issue, we have studied the superconducting gap and pseudogap of the high-Tc superconductor La2-xSrxCuO4 (x=0.10, 0.14) by angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). Through the analysis of the ARPES spectra above and below Tc, we have identified a superconducting coherence peak even in the anti-nodal region on top of the pseudogap of a larger energy scale. The superconducting peak energy nearly follows the pure d-wave form. The d-wave order parameter Δ_0 [defined by Δ(k)=Δ_0(cos(kxa)-cos(kya)) ] for x=0.10 and 0.14 are nearly the same, Δ_0 ~ 12-14 meV, leading to strong coupling 2Δ_0/kB Tc ~ 10. The present result indicates that the pseudogap and the superconducting gap are distinct phenomena and can be described by the "two-gap" scenario.

연구 동기 및 목표

• 고온 초전도체인 La2-xSrxCuO4에서 허위 갭과 초전도 갭 간의 관계를 명확히 하기 위해.
• 허위 갭과 초전도 갭이 별개의 현상인지 또는 하나의 갭 구조의 일부인지 확인하기 위해.
• 고해상도 ARPES를 사용하여 갭의 운동량 및 온도 의존성을 조사하기 위해.
• 단일층 초전도체에서의 이중 갭 시나리오가 Bi2212와 같은 이중층 시스템과 비교하여 타당한지 테스트하기 위해.

제안 방법

• 싱크로트론(SSRL) 및 UV 레이저(ISSP) 원천에서 고품질 단일 결정 La2-xSrxCuO4(x=0.10, 0.14)에 대해 각도 분해 광전자 방출 분광법(ARPES)을 수행하였다.
• 초전도 전이 온도 이하(T < Tc) 및 초과 전이 온도 이상(T > Tc)에서 스펙트럼을 확보하여 초전도 특성을 분리하였다.
• 에너지 해상도를 고려한 페르미-디랙 함수 컨볼루션을 사용하여 스펙트럼을 정규화하고 스펙트럼 피크의 가시성을 향상시켰다.
• 스펙트럼 선형형태 분석을 통해 반도핑 영역에서의 초전도 응집 피크를 식별하였다.
• 다양한 도핑 수준에서 허위 갭과 초전도 갭의 에너지 척도 및 온도 변화를 비교하였다.
• 이론 모델 및 다른 초전도체와의 비교를 위해 2Δ = 4.3kB T를 사용한 스케일링 분 析를 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 과도도화된 La2-xSrxCuO4의 반도핑 영역에서 허위 갭과 초전도 갭이 공존하는가?
• RQ2 반도핑 영역에서의 초전도 갭이 순수한 d파동 대칭과 일치하는가?
• RQ3 과도도화 영역에서 초전도 갭 매개변수 Δ₀는 도핑에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 왜 단일층 초전도체에서는 두 개의 별개 에너지 척도(허위 갭 및 초전도 갭)가 해석 가능한 데 반해, Bi2212와 같은 이중층 초전도체에서는 그렇지 않은가?
• RQ5 허위 갭의 기원은 무엇이며, 에너지 척도 및 온도 의존성 측면에서 초전도 갭과 어떻게 다를까?

주요 결과

• Tc 이하에서 La2-xSrxCuO4(x=0.10, 0.14)의 반도핑 영역에서 명확한 초전도 응집 피크가 관측되었으며, 이는 이미 존재하는 허위 갭 위에 나타났다.
• 초전도 갭은 거의 순수한 d파동 형태를 따르며, x=0.10 및 x=0.14에서 모두 Δ₀ ≈ 12–14 meV로 나타나 과도도화 영역에서 도핑에 거의 의존하지 않음을 시사한다.
• 허위 갭의 에너지 척도는 초전도 갭보다 크며 Tc 이상에서도 유지되므로, 초전도성과는 별개의 현상임을 나타낸다.
• 초전도 갭이 Tc 이하에서 이미 존재하는 허위 갭 내부에서 열리는 것으로 관측됨에 따라 이중 갭 시나리오가 지지된다. 이는 YRZ 현상학적 모델과 일치한다.
• Bi2212에서 두 에너지 척도가 해석되지 않는 것은 Tc와 T*(허위 갭 시작 온도)가 유사하기 때문이며, 이는 단일층 초전도체에서 Tc ≪ T*임과 대조된다.
• 반도핑 영역의 허위 갭은 입자-홀 비대칭성 및 피어미 아크 억제를 보여주는 STM 및 ARPES 증거에 따라 2차원 전하 서열 또는 밀도파 상태와 관련되어 있을 가능성이 높다.