[논문 리뷰] Dichotomy in the $T$-linear resistivity in hole-doped cuprates

N. E. Hussey, Rachel Cooper외 4명|arXiv (Cornell University)|2009. 12. 10.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 18인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 정공 도핑된 커퍼레이트에서 $T$-선형 저항성의 이원성(dichotomy)을 드러내며, 두 가지 상이한 $T$-선형 기여를 규명한다: 저온에서의 기여는 $T_c$에 비례하며 초전도성 쌍성 메커니즘과 관련이 있고, 고온에서의 기여는 $p_{\text{crit}} \approx 0.19$를 초월해 도핑에 독립적이다. 임계 도핑 $p_{\text{crit}}$는 반절역(anti-nodal) 준입자 분해역의 시작을 나타내며, 이는 전통적인 양자临계 시나리오에 도전하며, 경쟁 질서가 아니라 분해역이 주요 원인임을 시사한다.

ABSTRACT

From analysis of the in-plane resistivity $ρ_{ab}(T)$ of La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$, we show that normal state transport in overdoped cuprates can be delineated into two regimes in which the electrical resistivity varies approximately linearly with temperature. In the low temperature limit, the $T$-linear resistivity extends over a very wide doping range, in marked contrast to expectations from conventional quantum critical scenarios. The coefficient of this $T$-linear resistivity scales with the superconducting transition temperature $T_c$, implying that the interaction causing this anomalous scattering is also associated with the superconducting pairing mechanism. At high temperatures, the coefficient of the $T$-linear resistivity is essentially doping independent beyond a critical doping $p_{ m crit}$ = 0.19 at which the ratio of the two coefficients is maximal. Taking our cue from earlier thermodynamic and photoemission measurements, we conclude that the opening of the normal state pseudogap at $p_{ m crit}$ is driven by the loss of coherence of anti-nodal quasiparticles at low temperatures.

연구 동기 및 목표

• 정공 도핑된 커퍼레이트의 정상 상태에서 오랫동안 해결되지 않은 $T$-선형 저항성의 수수께끼를 밝히는 것.
• $T$-선형 저항성이 단일 양자 임계 메커니즘에 기인하는지, 아니면 다수의 상이한 산산화 과정에 기인하는지 규명하는 것.
• $p_{\text{crit}} \approx 0.19$가 전자 행동의 기본적인 전이를 정의하는 데 어떤 역할을 하는지 조사하는 것, 특히 허위 갭 형성의 시작과 관련하여.
• 과도도핑된 커퍼레이트에서 초전도성 쌍성, 준입자 일관성, 저항성 비정상성 간의 관계를 명확히 하는 것.
• 기존의 양자 임계 시나리오를 도전하며, 허위 갭의 기원이 비임계적 분해역에 기인함을 규명하는 것.

제안 방법

• 지속적 및 퉈도 높은 자기장 하에서 광범위한 도핑 범위($x = 0.15$에서 $0.33$)를 포함하는 라우륨-바나듐- Copper 산화물(La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$) 고순도 단결정의 면내 저항성 $\rho_{ab}(T)$를 측정하였다.
• 저온과 고온에서의 상이한 $T$-선형 기여를 분리하기 위해 $\rho_{ab}(T)$의 온도 도함수를 분석하였다.
• $T_c$와 도핑 수준과의 관련성을 통해 저항성 계수의 스케일링 행동을 평가하고 임계 도핑을 규명하였다.
• 저항성 계수의 도핑 의존성을 바탕으로 상이한 산산화 메커니즘을 유추하였다: 하나는 초전도성 쌍성과 관련된 것이고, 다른 하나는 준입자 분해역과 관련된 것이다.
• 이전의 ARPES, 열역학 및 전송 데이터와 결과를 통합하여 두 $T$-선형 항의 기원을 맥락화하였다.
• 동일한 상호작용이 초전도성과 분해역을 동시에 이끌어내며, $p_{\text{crit}} \approx 0.19$에서 최대 초전도성 밀도를 가지는 통합된 그림을 제안하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 과도도핑된 커퍼레이트의 정상 상태에서 두 가지 상이한 $T$-선형 저항성 기여가 존재하는가, 그리고 그것들이 서로 다른 기원을 가진다면?
• RQ2 저항성 계수는 도핑에 따라 어떻게 변하며, $T_c$에 비례하는가?
• RQ3 $p_{\text{crit}} \approx 0.19$의 물리적 의미는 허위 갭과 준입자 일관성과의 관계에서 무엇인가?
• RQ4 임계 도핑을 초월해 고온에서의 $T$-선형 저항성 계수는 도핑에 독립적인가, 그리고 이는 기초 산산화 메커니즘에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 허위 갭은 경쟁 질서에 의해 형성되는가, 아니면 강한 전자-전자 상호작용에 의해 유도된 준입자 분해역에 의해 형성되는가?

주요 결과

• 두 가지 상이한 $T$-선형 저항성 기여가 확인되었다: 저온에서의 기여는 $T_c$에 단조롭게 비례하며 초전도성 쌍성 메커니즘과 관련이 있다.
• 임계 도핑 $p_{\text{crit}} \approx 0.19$를 초월해 고온에서의 $T$-선형 저항성 계수가 도핑에 독립적이며, 이는 초전도성과 관련 없는 다른 산산화 기원을 시사한다.
• 임계 도핑 $p_{\text{crit}} \approx 0.19$는 반절역 준입자 분해역의 시작을 나타내며, 이는 온도에 비례하고 모든 유한한 온도에서 발생한다.
• 최대 초전도성 밀도와 응축 에너지가 $p_{\text{crit}} \approx 0.19$에서 발생하며, 이는 $T$-선형 저항성 계수의 최대값과 허위 갭 에너지 척도의 소멸과 동시에 발생한다.
• 초전도성과 동시에 준입자 일관성이 파괴되는 상호작용은 동일한 상호작용이 쌍성을 촉진하지만, $p_{\text{crit}}$ 이하에서는 최종적으로 응축체를 억제함을 시사한다.
• 허위 갭은 비일관성 있는 반절역 상태를 갭으로 만들며 지구 상태 에너지를 낮추기 위해 형성되며, 경쟁 질서가 아니라 분해역이 과도도핑 영역에서 허위 갭 상태의 주요 원인이다.