[논문 리뷰] Effect of pseudogap on electronic anisotropy in the strain dependence of the superconducting $T_c$ of underdoped YBa$_2$Cu$_3$O$_y$

Mehdi Frachet, Daniel Campbell외 12명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 03.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 1인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 전자적 이방성의 비선형 증가 현상을 규명한다. 이는 낮은 구멍 도핑 조건에서 YBa₂Cu₃Oᵧ의 초전도 전이 온도 Tc의 변형에 대한 의존성(dTc/dϵ₂₂ − dTc/dϵ₁₁)을 측정한 결과, 결정립의 정방형 대칭성이 감소하는 상황에서도 중간 도핑 영역(p ≈ 0.11–0.14)에서 비선형적으로 증가함을 보여준다. 초음파 측정과 이론 모델링을 통해 저자들은 이러한 현상이 Mott 절연체 상태에 가까워질수록 증가하는 준간극 잠재력에 기인한다고 설명한다. 이는 외부 변형을 통해 준간극을 조절하고 Tc를 향상시킬 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

For orthorhombic superconductors we define thermodynamic anisotropy $N \equiv d T_c/d \epsilon_{22} - dT_c/d \epsilon_{11}$ as the difference in how superconducting $T_c$ varies with strains $\epsilon_{ii}$, $i=(1, 2)$, along the in-plane directions. We study the hole doping ($p$) dependence of $N$ on detwinned single crystals of underdoped YBa$_2$Cu$_3$O$_y$ (YBCO) using ultrasound technique. While the structural orthorhombicity of YBCO reduces monotonically with decreasing doping over $0.065 <p<0.16$, we find that the thermodynamic anisotropy shows an intriguing enhancement at intermediate doping level, which is of electronic origin. Our theoretical analysis shows that the enhancement of the electronic anisotropy can be related to the pseudogap potential in the electronic specturm that itself increases when the Mott insulating state is approached. Our results imply that the pseudogap is controlled by a local energy scale that can be tuned by varying the nearest neighbor Cu-Cu bond length. Our work opens the possibility to strain engineer the pseudogap potential to enhance the superconducting \Tc.

연구 동기 및 목표

• 비도핑된 YBa₂Cu₃Oᵧ에서의 비선형 평면 내 전자적 이방성의 기원을 규명하는 것.
• Tc의 변형 의존성에서 관측된 이방성이 전자적 요인인지 구조적 요인인지 판별하는 것.
• 준간극 잠재력이 초전도 전이 온도의 전자적 이방성 발생에 미치는 영향을 연결하는 것.
• 준간극 잠재력을 변형으로 조절하여 Tc를 향상시킬 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• Ehrenfest 관계를 이용해 Tc에서의 음속 변화량을 측정함으로써, 정적 변형이 없는 조건에서 dTc/dϵii를 추출함으로써 변형 의존성을 측정하는 방법.
• 0.065 < p < 0.16 범위의 다양한 구멍 도핑 조건에서 탈편정단결정 YBCO를 사용하여 내재된 이방성을 분리함.
• 열역학적 이방성을 N ≡ dTc/dϵ₂₂ − dTc/dϵ₁₁로 정의하여 Tc의 방향성 변형에 대한 민감도를 정량화함.
• 도핑에 따라 변하는 준간극 잠재력 P₀(p) = Pg(1 − p/0.2)를 포함한 t-J 유사 해밀토니안을 사용한 이론 모델링.
• 응답율 χpp와 그 온도 미분을 활용하여 열역학적 이방성 N(p)을 계산하고, 변형이 순서파라미터에 미치는 영향을 포함함.
• 수치적 운동량 합산을 통해 a₀ = −(∂χpp/∂T)T=T₀c 및 λ₂ = −1/2(∂²χpp/∂η²)η=0를 평가하여 도핑에 따른 N(p)의 모의를 수행함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 결정립의 정방형 대칭성이 감소하는 상황에서도 열역학적 이방성 N(p)이 중간 도핑 영역(p ≈ 0.11–0.14)에서 증가하는 이유는 무엇인가요?
• RQ2 비도핑된 YBCO에서 N(p)의 비선형적 행동의 미세 구조적 기원은 무엇인가요?
• RQ3 준간극 잠재력은 Tc의 변형 의존성과 전자적 이방성에 어떻게 영향을 미치나요?
• RQ4 준간극 잠재력을 변형으로 조절할 수 있으며, 이는 Tc 향상에 어떤 영향을 미칠 수 있나요?

주요 결과

• 열역학적 이방성 N(p)는 도핑에 따라 비선형적으로 변화하며, p ≈ 0.11에서 최대치를 보이며, 이는 도핑 감소에 따라 정방형 대칭성이 단조롭게 감소하는 것과는 상반된 현상이다.
• 중간 도핑 영역에서 N(p)의 증가 현상은 Mott 절연체 상태에 가까워질수록 증가하는 전자적 기원, 즉 준간극 잠재력에 기인한다.
• 이론 모델링 결과, 준간극 잠재력을 0으로 설정할 경우 비선형 N(p) 행동이 사라지며, 이는 준간극 잠재력이 핵심적인 역할을 한다는 것을 입증한다.
• 준간극 잠재력은 변형에 의해 조절 가능하며, 특히 노드 영역에서의 갭 구조에 상당한 변화가 예측된다.
• 모델은 변형이 노드 영역에서 눈에 띄는 갭 열림을 유도할 수 있음을 예측하며, 이는 각도 분 giải 광전자 방사 또는 전자 라만 스펙트로스코피로 검증 가능한 서명이다.
• 높은 도핑 영역(p > 0.14)에서 관측된 N(p) 증가는 현재의 이중 밴드 평면 모델이 반영하지 못한 CuO 사슬 기여로 기인한 것으로 기인된다.