[논문 리뷰] Critical Doping for the Onset of Fermi-Surface Reconstruction by Charge-Density-Wave Order in the Cuprate Superconductor La$ _{2-x} $Sr$_{x} $CuO$ _{4}$

S. Badoux, S. Afshar외 12명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2015. 12. 01.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 라운드산화구리산(La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$)에서 고자기장 시베크 및 홀 계수 측정을 통해 전하 밀도파(CDW) 질서에 의한 에너지 준위 표면 재구성은 구멍 도핑 $p < 0.15$에서만 발생하며, CDW 질서는 $p_{\text{CDW}} = 0.15 \pm 0.005$에서 종료됨을 입증한다. 이는 허위 갭 임계 도핑 $p^* \simeq 0.19$보다 훨씬 낮은 값이다. 결과적으로 CDW 질서는 구리산의 허위 갭 상에서 보조적 불안정성임을 규명한다.

ABSTRACT

The Seebeck coefficient $S$ of the cuprate superconductor La$ _{2-x} $Sr$_{x} $CuO$ _{4}$ (LSCO) was measured in magnetic fields large enough to access the normal state at low temperatures, for a range of Sr concentrations from $x = 0.07$ to $x = 0.15$. For $x = 0.11$, 0.12, 0.125 and 0.13, $S/T$ decreases upon cooling to become negative at low temperatures. The same behavior is observed in the Hall coefficient $R_{H}(T)$. In analogy with other hole-doped cuprates at similar hole concentrations $p$, the negative $S$ and $R_{H}$ show that the Fermi surface of LSCO undergoes a reconstruction caused by the onset of charge-density-wave modulations. Such modulations have indeed been detected in LSCO by X-ray diffraction in precisely the same doping range. Our data show that in LSCO this Fermi-surface reconstruction is confined to $0.085 &lt; p &lt; 0.15$. We argue that in the field-induced normal state of LSCO, charge-density-wave order ends at a critical doping $p_{ m CDW} = 0.15 \pm 0.005$, well below the pseudogap critical doping $p^\star \simeq 0.19$.

연구 동기 및 목표

• 구리산 초전도체 La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$에서 전하 밀도파(CDW) 질서가 에너지 준위 표면 재구성을 유도하는 도핑 범위를 규명하는 것.
• 장력에 의해 유도된 정상 상태에서 CDW 질서가 사라지는 임계 도핑 $p_{\text{CDW}}$를 특정하는 것.
• 부족도핑된 구리산에서 CDW 질서, 에너지 준위 표면 재구성 및 허위 갭 상과의 관계를 명확히 하는 것.
• LSCO를 YBCO, Eu-LSCO 및 Hg1201과 비교하여 다양한 구리산 계열에서 CDW에 의한 에너지 준위 표면 재구성의 일반성 여부를 검증하는 것.

제안 방법

• 단일 결정 LSCO에서 $x = 0.07$에서 $0.15$까지의 고자기장, 저온에서의 시베크 계수 $S(T)$ 및 홀 계수 $R_{\text{H}}(T)$ 측정.
• 초전도성을 억제하고 저온에서 정상 상태에 접근하기 위해 강한 자기장을 적용하는 것.
• $S/T$ 및 $R_{\text{H}}$의 부호 변화와 에너지 준위 표면 재구성의 시작 시점을 연관시키는 것.
• 전자현미경 회절(XRD) 데이터를 기반으로 한 LSCO에서의 CDW 질서와 전자적 재구성 간의 연관성을 확인하는 것.
• 온도-도핑 상도표 분석을 통해 CDW 질서가 사라지는 임계 도핑 $p_{\text{CDW}}$를 특정하는 것.
• 고자기장 홀 및 시베크 데이터를 활용해 정상 상태에서 $p = 0.15$ 이상에서는 CDW 질서가 존재하지 않음을 추론하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$에서 CDW 질서에 의한 에너지 준위 표면 재구성이 도핑이 어느 정도일 때 시작되는가?
• RQ2 LSCO의 장력에 의해 유도된 정상 상태에서 CDW 질서가 더 이상 존재하지 않는 임계 도핑 $p_{\text{CDW}}$는 얼마인가?
• RQ3 LSCO에서 CDW 상한선은 허위 갭 임계 도핑 $p^*$와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 관측된 LSCO에서의 에너지 준위 표면 재구성이 XRD로 확인된 CDW 질서에 의해 유도된 것인가?
• RQ5 CDW 질서가 $p = 0.15$에서 종료된다는 것은 허위 갭 상이 CDW 형성에 의해 유도되지 않는다는 것을 의미하는가?

주요 결과

• $x = 0.11$, $0.12$, $0.125$, $0.13$에서 저온에서 시베크 계수 $S/T$가 음수가 되어 정상 상태에서 에너지 준위 표면 재구성이 발생함을 나타낸다.
• 동일한 도핑 범위에서 홀 계수 $R_{\text{H}}$도 음수이므로, 에너지 준위 표면 재구성으로 인한 전자성 틈새 존재가 확인된다.
• 에너지 준위 표면 재구성 현상은 도핑 범위 $0.085 < p < 0.15$에 국한되며, $p = 0.15$ 이상에서는 재구성 증거가 없음.
• CDW 질서의 시작 임계 도핑은 $p_{\text{CDW}} = 0.15 \pm 0.005$로 특정되었으며, 이는 에너지 준위 표면 재구성의 소멸과 일치하고 XRD 데이터와도 부합한다.
• LSCO에서의 허위 갭 상은 $p^* \simeq 0.19$까지 연장되며, 이는 $p_{\text{CDW}}$보다 훨씬 높게 위치해 있어 허위 갭 상이 CDW 질서에 의해 유도되지 않음을 시사한다.
• 결과적으로 CDW 질서는 LSCO 및 기타 구리산에서 허위 갭 상의 보조적 불안정성임을 확인한다.