[논문 리뷰] Evidence for a universal Fermi-liquid scattering rate throughout the phase diagram of the copper-oxide superconductors

N. Barišić, M. K. Chan외 8명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 28.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 1인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 HgBa2CuO4+δ에서의 홀 각도 측정을 통해 구리산염 초전도체의 전체 상도도에 걸쳐 보편적인 페르미 액체 산란률이 존재한다는 증거를 제시한다. 산란률은 최적 도핑 이하에서 온도의 제곱에 비례하고 도핑에 의존하지 않으며, 이는 복잡한 준가역 상과 이상 금속 상에도 불구하고 보편적인 운반자 메커니즘을 시사한다.

ABSTRACT

The phase diagram of the cuprate superconductors continues to pose formidable scientific challenges. While these materials are typically viewed as doped Mott insulators, it is well known that they are Fermi liquids at high hole-dopant concentrations. It was recently demonstrated that at moderate doping, in the pseudogap region of the phase diagram, the charge carriers are also best described as Fermi liquid. Nevertheless, the relationship between the two Fermi-liquid regions and the nature of the strange-metal state at intermediate doping have remained unsolved. Here we show in the case of the model cuprate superconductor HgBa2CuO4+δ that the scattering rate measured by the cotangent of the Hall angle remains quadratic in temperature across the pseudogap temperature, upon entering the strange-metal state, and that it is doping-independent below optimal doping. Analysis of the published results for other cuprates reveals that this behavior is universal throughout the entire phase diagram and points to a pervasive Fermi-liquid transport scattering rate. We argue that these observations can be reconciled with other data upon considering the possibility that the pseudogap phenomenon signifies the completion of the gradual, non-uniform localization of one hole per planar CuO2 unit upon cooling.

연구 동기 및 목표

• 구리산염 초전도체의 전체 상도도에 걸쳐 페르미 액체 산란률이 보편적인지 여부를 규명하는 것.
• 부족도핑 준가역 상 영역에서의 페르미 액체 거동이 이상 금속 상태 및 과도핑 페르미 액체 영역과 어떻게 연결되는지 오랫동안 남아있던 질문을 해결하는 것.
• 도핑 및 온도에 독립적인 산란률을 바탕으로 한 통합적 기술을 제안하여 충돌하는 운반자 데이터 해석을 조율하는 것.
• 준가역 상이 냉각에 따라 각 CuO2 단위당 한 개의 전자가 점차 국소화되는 것과 일치하는, 전자 국소화의 점진적 특성 반영을 조사하는 것.

제안 방법

• 단일 결정 HgBa2CuO4+δ에서 온도 및 도핑에 따른 홀 각도의 코탄제트를 측정하였다.
• 역방향 분광법(ARPES) 및 운반자 데이터를 사용하여 홀 각도의 온도 의존성에서 산란률을 추출하였다.
• 산란률의 온도 의존성을 분석하여 그가 T의 제곱에 비례하는 성질을 중점적으로 다루었다.
• 다른 구리산염에서의 발표된 자료를 확장하여 다양한 물질과 도핑 수준에서의 보편성을 테스트하였다.
• 준가역 상이 냉각에 따라 각 평면 CuO2 단위당 한 개의 전자가 비균일하고 점진적으로 국소화되는 과정의 완료를 반영한다는 이론적 프레임워크를 제안하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구리산염 초전도체의 전체 상도도에 걸쳐 페르미 액체 산란률이 보편적인가?
• RQ2 산란률은 준가역 상, 이상 금속 상, 페르미 액체 영역을 거쳐 어떻게 변화하는가?
• RQ3 산란률의 관측된 제곱 온도 의존성이 단일한 기초 메커니즘으로 설명될 수 있는가?
• RQ4 전자 국소화 관점에서 준가역 상 상태의 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ5 산란률의 도핑 의존성은 운반자 전하의 국소화와 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 홀 각도의 코탄제트에서 유도된 산란률은 HgBa2CuO4+δ에서 준가역 상 영역, 이상 금속 상태, 과도핑 페르미 액체 영역에 걸쳐 온도의 제곱에 비례하는 성질을 보였다.
• 최적 도핑 이하에서 산란률은 도핑에 독립적이며, 이는 부족도핑 및 최적 도핑 영역에서 보편적인 운반자 산란률을 시사한다.
• 다양한 구리산염에서의 발표된 자료 분석을 통해 이 제곱형 및 도핑에 독립적인 행동이 상도도 전반에 걸쳐 보편적임을 확인하였다.
• 결과는 준가역 상 상태가 냉각에 따라 각 평면 CuO2 단위당 한 개의 전자가 점진적이고 비균일하게 국소화되는 과정의 완료에 해당한다는 시나리오를 지지한다.
• 관측된 보편적 산란률은 서로 모순되는 운반자 데이터가 다양한 구리산염 가족과 도핑 영역에서 통합적으로 설명될 수 있음을 시사한다.
• 이러한 발견은 강한 전자 상호작용과 준가역 상이 존재하는 상황에서도 페르미 액체 운반자 거동이 전체 상도도에 걸쳐 유지된다는 것을 시사한다.