[논문 리뷰] Fermi surface arcs and the infrared conductivity of underdoped YBa$_{2}$Cu$_{3}$O$_{6.50}$

Jungseek Hwang, Jules Carbotte외 1명|arXiv (Cornell University)|2008. 04. 15.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 underdoped YBa₂Cu₃O₆.₅₀에서 온도에 따라 변화하는 페르미 표면 아크 모델을 제안하며, 이는 비가역적인 아크가 감소한 온도 t = T/T*에 비례하여 선형적으로 증가함을 설명한다. 이 모델은 페르미 표면 아크 위의 전자 상태 복구 영역을 포함하며, 이는 광학 산란률을 증가시키고 관측된 적외선 전도도 특성들을 설명한다. 주요 결과는 이 아크-복구 모델을 사용할 경우 이전 모델보다 더 나은 광학 데이터 피팅을 가능하게 하며, 중성자 산란 데이터에서 관측된 자성 공명 피크와의 일관성이 향상됨을 보여준다.

ABSTRACT

We reanalyze the data on the in-plane far infrared conductivity of underdoped orthoII YBa$_{2}$Cu$_{3}$O$_{6.50}$ (YBCO$_{6.50}$) in terms of a model in which a pseudogap opens on part of the Fermi surface with the remaining ungaped piece proportional to the temperature. The motivation for our model comes from recent angle-resolved photoemission spectroscopy data in underdoped Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+δ}$ (Bi-2212), which have revealed the existence of arcs on the Fermi surface. We find the optical data to be consistent with arc formation. In addition we find some evidence that the electronic states lost below the pseudogap energy $Δ_{pg}$ are recovered in the energy region immediately above it at least for temperatures near $T_c$.

연구 동기 및 목표

• underdoped ortho-II YBa₂Cu₃O₆.₅₀에서 면내 원거리 적외선 전도도의 이례적인 온도 의존성을 설명하기 위해.
• ARPES에서 관측된 페르미 표면 아크와 연관지어 구리산염에서의 페르미 표면 아크의 미세구조 기원에 대한 합의 부족 문제를 해결하기 위해.
• 페르미 표면 아크 아래에서 손실된 전자 상태가 Δpg보다 약간 위의 영역으로 복구될 수 있는지 여부를 검토하여 관측된 광학 산란률 특성들을 설명할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 이전 모델에서 상태 복구 없이 상태 보존 원칙을 포함한 온도 의존성 페르미 표면 아크 모델을 도입함으로써 광학 데이터 피팅을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 페르미 표면이 반노드 영역에서는 가로막혀 있고 노드 아크 영역에서는 가로막히지 않은 모델을 개발하였으며, 아크 길이가 감소한 온도 t = T/T*에 비례하도록 설정하였다.
• 전자 상태 밀도(DOS)는 Δpg 이하에서는 ω에 대해 이차함수로 모델링되었고, Δpg 이상부터 2Δpg까지는 상태 보존을 위해 증가시켰으며, 복구 영역은 모든 손실된 상태를 포함한다.
• 전자-보존 스펙트럼 함수 I²χ(ω)를 사용하여 광학 산란률 τ⁻¹(ω)을 계산하였으며, 중성자 산란 데이터와 일치하는 31 meV의 자성 공명 피크와 배경을 포함하였다.
• 다양한 온도에서 실험적 광학 전도도 데이터에 대해 최소 제곱법 피팅 절차를 적용하였으며, 배경 강도와 공명 피크 면적을 변화시켰다.
• 이전에 복구 영역을 포함하지 않은 피팅과 비교하여, 이 모델이 광학 및 중성자 산란 데이터 양쪽 모두에서 더 나은 일치를 보임을 입증하였다.
• 크라머스-크로니크 분석을 통해 광학 자기에너지 Σ¹(ω)와 산란률을 연결하였으며, 아크와 복구 효과를 나타내는 로그 유사한 구조를 발견하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 underdoped YBCO 6.50에서 페르미 표면 아크의 형성이 적외선 전도도의 이례적인 온도 의존성 변화를 설명할 수 있는가?
• RQ2 페르미 표면 아크 위에서 관측된 산란률 증가 현상은 Δpg보다 약간 위의 영역으로 복구된 전자 상태의 영향으로 기인할 수 있는가?
• RQ3 DOS 모델에 복구 영역을 포함할 경우, 복구 없이 구성된 모델에 비해 광학 데이터 피팅에 어떤 개선을 이끌어내는가?
• RQ4 광학에서 관측된 31 meV 자성 공명 피크 면적의 온도 의존성은 비탄성 중성자 산란 측정과 얼마나 일치하는가?
• RQ5 아크 모델은 underdoped 구리산염에서 관측된 광학 자기에너지 Σ¹(ω)의 실수부에서 특징적인 '모자형' 피크 구조를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 광학 산란률 데이터는 페르미 표면 아크 위의 에너지 영역에서 명확한 증가를 보이며, 이는 Δpg보다 위의 영역으로 전자 상태가 복구됨으로써 가장 잘 설명된다.
• 페르미 표면 아크와 상태 복구를 포함한 모델은 이전에 복구 영역을 포함하지 않은 모델보다 실험적 광학 전도도에 대해 유의미하게 더 나은 피팅을 제공한다.
• 복구 영역을 포함할 경우, 전자-보존 스펙트럼 함수에서 31 meV 자성 공명 피크 면적의 온도 의존성이 중성자 산란 데이터와 더 잘 일치한다.
• 복구 영역이 산란률에 미치는 기여는 낮은 온도에서 가장 강력하며, T = T*에서 사라지며, 이는 페르미 표면 아크의 열린 현상과 일치한다.
• 아크 모델은 이전의 복구 없이 구성된 피팅에서 관찰되지 않았던, 페르미 표면 아크 위에서 저주파수 영역에서 산란률 곡선의 응집 현상을 설명한다.
• 산란률의 주요 증가 영역 바로 위의 영역에서 피팅 품질이 뚜렷이 향상되었으며, 이는 복구 영역의 영향이 가장 두드러진 영역이기 때문이다.