[논문 리뷰] Cooling a polaronic liquid: Phase mixture and pseudogap-like spectra in superconducting $Ba_{1-x}K_{x}BiO_{3}$

Muntaser Naamneh, M. Yao외 18명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 18.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 39인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 최적 doping 근처의 초전도체 Ba₁₋ₓKₓBiO₃에서 Tₚ > T_c 인 온도에서 금속-절연체 상분리가 유도되는 전이가 발생하며, 이 과정에서 불순성 있는 폴라론 액체에서 절연성 비폴라론 고립체가 침전됨을 밝혀냈다. ARPES 및 라만 데이터는 페르미 수준 근처에서 스펙트럴 무게의 가짜간격 유사 억제를 보이며, 이는 전자 평균 자유로움 길이의 교차에 의해 유도되며, 폴라론 상분리에 의해 숨겨진 질서로 인한 가짜간격의 설명을 제공한다.

ABSTRACT

Many complex electronic systems exhibit so-called pseudogaps, which are poorly-understood suppression of low-energy spectral intensity in the absence of an obvious gap-inducing symmetry. Here we investigate the superconductor $Ba_{1-x}K_{x}BiO_{3}$ near optimal doping, where unconventional transport behavior and evidence of pseudogap(s) have been observed above the superconducting transition temperature $T_{c}$, and near an insulating phase with long-range lattice distortions. Angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) reveals a dispersive band with vanishing quasiparticle weight and "tails" of deep-energy intensity that strongly decay approaching the Fermi level. Upon cooling below a transition temperature $T_{p} > T_{c}$, which correlates with a change in the slope of the resistivity vs. temperature, a partial transfer of spectral weight near $E_{F}$ into the deep-binding energy tails is found to result from metal-insulator phase separation. Combined with simulations and Raman scattering, our results signal that insulating islands of ordered bipolarons precipitate out of a disordered polaronic liquid and provide evidence that this process is regulated by a crossover in the electronic mean free path.

연구 동기 및 목표

• T_c 이상의 초전도체 Ba₁₋ₓKₓBiO₃에서 페르미 수준 근처의 가짜간격 유사 스펙트럴 특성의 기원을 이해하는 것.
• 전자-격자 상호작용 및 폴라론 효과가 전자 비균일성에 미치는 역할을 조사하는 것.
• 관측된 가짜간격 행동이 비폴라론 상태의 상분리와 같은 숨겨진 질서에서 기인하는지 여부를 규명하는 것.
• 저항도의 비정상성과 전자 스펙트럴 변화를 연관지워 전이 온도 Tₚ를 특정하는 것.
• 전자 평균 자유로움 길이의 교차가 스펙트럴 무게 이행의 시작을 지배한다는 가설을 검증하는 것.

제안 방법

• 각도에 따른 광전자 방출 분광법(ARPES)을 사용하여 최적 doping 근처(x ≈ 0.39)의 Ba₁₋ₓKₓBiO₃ 박막에서 전자 밴드 구조 및 스펙트럴 무게 분포를 맵핑하였다.
• 라만 산란 측정은 저출력 514.5 nm 레이저를 사용하여 박막 및 SrTiO₃ 기질에서 수행되었으며, 기질 기여는 제거되었다.
• 2D Lieb 격자에서의 3오르빗 Su-Schrieffer-Heeger 모델을 사용하여 전자-격자 결합을 시뮬레이션하였으며, 산소 이동 변수 x_r 및 y_r에 의해 터널링 적분이 조절되었다.
• 이론적 계산에서는 총 에너지 E를 최소화하여 평형 원자 이동을 구했으며, 점유 상태와 스펙트럴 무게 함수를 계산하기 위해 페르미-디랙 분포를 사용하였다.
• 스펙트럴 무게 함수 A(k,ω)는 many-body 효과를 포함하고 δ = 0.3 eV로 넓힘을 적용한 그린 함수 체계를 통해 계산되었다.
• 밀도함수 이론 유도 매개변수를 사용하였으며, t_sp = 2.08 eV, t_pp = 0.056 eV, 전자-음향파 결합 α = 4a⁻¹이며, K = 0.104 eV/a²이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ba₁₋ₓKₓBiO₃에서 T_c 이상의 페르미 수준 근처에서 관측되는 가짜간격 유사 스펙트럴 무게 억제의 원인은 무엇인가요?
• RQ2 Tₚ > T_c에서의 저항도 비정상성은 전자 스펙트럴 변화 및 상분리와 어떻게 관련이 있나요?
• RQ3 관측된 스펙트럴 특성은 불순성 있는 폴라론 액체 내에서 절연성 비폴라론 고립체의 형성에 의해 설명될 수 있나요?
• RQ4 전자 평균 자유로움 길이는 Tₚ에서의 전이에 어떤 역할을 하나요?
• RQ5 이 시스템에서의 가짜간격은 변동 또는 예비 형성된 쌍 상태가 아니라, 상분리된 비폴라론과 같은 숨겨진 질서의 징후일 수 있나요?

주요 결과

• Tₚ ≈ 140 K에서 명백한 전이가 발생하며, 이는 저항도 대 온도 그래프의 기울기 변화로 나타나며, ARPES 스펙트럼에서 페르미 수준 근처의 스펙트럴 무게가 깊은 바인딩 에너지 尾로 부분적으로 이행됨과 관련이 있다.
• 스펙트럴 무게 이행은 금속-절연체 상분리에 기인하며, 이는 불순성 있는 폴라론 액체에서 질서 정렬된 비폴라론 고립체가 침전됨을 의미한다.
• ARPES는 페르미 수준 쪽으로 퇴색하는 강한 강도 감소와 함께 퇴색하는 준입자 무게를 가지는 분산 밴드를 보여주며, 강한 many-body 효과를 나타낸다.
• 라만 산란은 격자 비대칭과 국소 폴라론 모드의 존재를 확인하여 국소 비폴라론 상태의 형성을 뒷받침한다.
• 전자-격자 결합이 있는 2D Lieb 격자에서의 이론적 시뮬레이션은 관측된 스펙트럴 특성, 즉 가짜간격 유사 억제 및 스펙트럴 무게 재분포를 재현한다.
• Tₚ에서 전자 평균 자유로움 길이의 교차는 상분리의 시작을 지배하며, 전자 국소화가 가짜간격 행동을 유도하는 데 핵심적인 역할을 함을 시사한다.