[논문 리뷰] Fermi Surface of the Electron-doped Cuprate Superconductor Nd_{2-x}Ce_xCuO_{4} Probed by High-Field Magnetotransport

M. V. Kartsovnı̆k, T. Helm외 11명|2011. 04. 06.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 초전도 전이가 사라지기 전까지의 최고 도핑 수준인 x ≈ 0.17까지 전자 도핑된 Nd₂₋ₓCeₓCuO₄의 패러미터 표면를 고장력 자장 전기운반 측정을 통해 탐구하여, 자성 파손에 의해 유도된 빠른 셰브니코프-디 허스(Shubnikov-de Haas, SdH) 진동을 규명하였다. 결과는 초과도핑 영역 전반에 걸쳐 재구성된 다중 연결 패러미터 표면가 유지됨을 직접적으로 입증하며, 초격자 위치 에너지가 초전도 전이와 동시에 약화되고, 가능하면 소멸됨을 시사하여 이동 대칭성 위반과 초전도 성립 간의 깊은 연관성을 시사한다.

ABSTRACT

We report on the study of the Fermi surface of the electron-doped cuprate superconductor Nd$_{2-x}$Ce$_x$CuO$_{4}$ by measuring the interlayer magnetoresistance as a function of the strength and orientation of the applied magnetic field. We performed experiments in both steady and pulsed magnetic fields on high-quality single crystals with Ce concentrations of $x=0.13$ to 0.17. In the overdoped regime of $x > 0.15$ we found both semiclassical angle-dependent magnetoresistance oscillations (AMRO) and Shubnikov-de Haas (SdH) oscillations. The combined AMRO and SdH data clearly show that the appearance of fast SdH oscillations in strongly overdoped samples is caused by magnetic breakdown. This observation provides clear evidence for a reconstructed multiply-connected Fermi surface up to the very end of the overdoped regime at $x\simeq 0.17$. The strength of the superlattice potential responsible for the reconstructed Fermi surface is found to decrease with increasing doping level and likely vanishes at the same carrier concentration as superconductivity, suggesting a close relation between translational symmetry breaking and superconducting pairing. A detailed analysis of the high-resolution SdH data allowed us to determine the effective cyclotron mass and Dingle temperature, as well as to estimate the magnetic breakdown field in the overdoped regime.

연구 동기 및 목표

• 전자 도핑된 컵레이트의 패러미터 표면 성질을 규명하고자 하며, 특히 초전도성이 억제되는 초과도핑 영역에서의 성질을 다룬다.
• 고도핑 수준에서 초격자 위치 에너지에 의한 패러미터 표면 재구성이 유지되는지 여부를 규명하고자 한다.
• Nd₂₋ₓCeₓCuO₄에서 이동 대칭성 위반(초격자 위치 에너지에 의해 유도됨)과 초전도 성립 간의 관계를 조사하고자 한다.
• Ce 도핑 증가에 따른 자성 파손과 사이클로트론 효과 질량의 변화를 특성화하고자 한다.
• 초과도핑된 컵레이트에서 양자 진동 데이터와 ARPES/밴드 구조 예측 간의 모순을 명확히 하고자 한다.

제안 방법

• 고품질의 Nd₂₋ₓCeₓCuO₄ 단일결정에서 x = 0.13–0.17 범위에 대해 정상(최대 45 T) 및 터널 자장에서 고정밀의 다층 전기저항 측정을 수행하였다.
• 각도 의존 전기저항 진동(AMRO)과 셰브니코프-디 허스(SdH) 진동 분석을 통해 패러미터 표면 기하학 및 효과 질량을 추출하였다.
• 고도핑에서 빠른 SdH 진동의 존재를 통해 자성 파손을 확인하였으며, 이는 재구성된 패러미터 표면 포켓을 둘러싼 큰 닫힌 궤도를 시사한다.
• 표준 리프슈츠-코세비치 분석을 통해 고해상도 SdH 데이터로부터 딘클 온도와 효과적 사이클로트론 질량을 추출하였다.
• 빠른 진동의 진폭과 주파수로부터 자성 파손 필드와 초격자 위치 에너지 강도를 추정하였다.
• AMRO와 SdH 데이터를 통합 분석하여 x ≈ 0.17까지 다중 연결 패러미터 표면 존재를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초과도핑된 Nd₂₋ₓCeₓCuO₄에서 패러미터 표면이 가능한 한 높은 도핑 수준까지 초격자 위치 에너지에 의해 재구성되어 유지되는가?
• RQ2 전자 도핑된 컵레이트에서 초격자 위치 에너지 감쇠와 초전도성 종료 간의 관계는 무엇인가?
• RQ3 초과도핑된 NCCO에서 자성 파손은 고장력 자장 전기운반 반응에 어떻게 나타나며, 이는 패러미터 표면 위상에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ4 고장력 전기운반에서 전자 포켓은 초과도핑된 NCCO에서 감지 가능할 수 있으며, 만약 그렇다면 어떤 조건에서 가능한가?
• RQ5 왜 SdH 진동이 x = 0.15 이하에서 사라지는가? 이는 패러미터 표면 재구성 때문인지, 궤도 전기저항 억제 때문인가?

주요 결과

• x = 0.17에서 주파수 F_fast ≈ 11 kT인 빠른 SdH 진동이 관측되었으며, 이는 브릴루앙 영역 모서리에 중심을 둔 원통형 패러미터 표면에 해당하는 큰 닫힌 사이클로트론 궤도를 시사한다.
• x = 0.17에서 빠른 SdH 진동의 존재는 자성 파손에 기인하며, 초전도 영역의 끝까지 재구성된 다중 연결 패러미터 표면가 존재함을 확인한다.
• 초격자 위치 에너지 강도는 x = 0.16에서 Δ ≈ 14 meV, x = 0.17에서 Δ ≈ 5 meV로 추정되었으며, 도핑 증가에 따라 감소하고, 초전도성 종료 시점(약 x ≈ 0.175)과 동시에 약화되거나 소멸할 가능성이 있다.
• SdH 진동 분석을 통해 효과적 사이클로트론 질량이 결정되었으며, 딘클 온도가 추출되어 초과도핑 영역에서 중간 수준의 전자 산란을 시사한다.
• 빠른 진동의 진폭에서 자성 파손 필드가 추정되었으며, 이는 초과도핑 영역에서 큰 닫힌 궤도 존재를 지지한다.
• 결과는 이동 대칭성 위반(초격자 위치 에너지에 의해 유도됨)과 초전도 성립 간의 밀접한 연관성을 시사하며, 이 두 현상이 유사한 도핑 농도에서 동시에 사라짐을 나타낸다.