[논문 리뷰] From Mott to not: phenomenology of overdoped cuprates

N. R. Lee-Hone, H. U. Özdemir외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 21.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 54인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 LSCO와 Tl-2201과 같은 과도도핑된 구리산염을 더러운 d파장 BCS 이론에 Fermi 액체 보정을 적용한 것으로 정확히 기술할 수 있으며, 특이한 물리학이 필요하지 않다. 이론과 과도도핑 영역에서의 비열, 열전도도, 테라헤르츠 전도도에 대한 실험 데이터 사이에 뛰어난 일치를 보이며, 별도의 측정에서 유도된 불순물 매개변수를 사용하고 조정 가능한 피팅 매개변수가 없는 것으로 나타났다.

ABSTRACT

Recently, we have argued that experimental data on superfluid density and terahertz conductivity of overdoped LSCO are compatible with a Landau Fermi liquid/Bardeen-Cooper-Schrieffer description of these samples, provided dopants are treated within "dirty $d$-wave theory" as weak scatterers. Here we test these ideas by comparing to specific heat and thermal conductivity data on LSCO, showing that the theory works extremely well across the overdoped region for similar disorder parameters. We then study the same properties in another overdoped cuprate, Tl-2201, thought to be quite "clean" since it exhibits quantum oscillations, low residual resistivities and small superconducting state Sommerfeld coefficients. Our results are consistent with the Tl-2201 system being $\approx 3$ times cleaner due in part to the dopant atoms' being located further from the CuO$_2$ plane. We conclude that cuprates can be described semiquantitatively in the overdoped regime by "dirty $d$-wave" theory, subject to significant Fermi liquid renormalizations, without introducing physics beyond the Landau-BCS paradigm.

연구 동기 및 목표

• 더러운 d파장 BCS 이론에 Fermi 액체 보정을 적용한 것이 과도도핑된 구리산염에서 실험 데이터를 정량적으로 기술할 수 있는지 테스트하는 것.
• 구리산염 계열 간에 Tc의 광범위한 변화와는 대조적으로도 보편적인 CuO2 평면 물리학이 존재하는 것으로 보이는 모순을 해결하는 것.
• 과도도핑 영역에서 Tc 저하의 주요 원인이 내재된 전자 효과가 아니라 도핑 원자에 의한 불순물 효과일 수 있는지 검토하는 것.
• LSCO와 Tl-2201의 과도도핑 행동을 비교하여, 서로 다른 불순물 수준을 통해 더러운 d파장 모델의 강건성을 시험하는 것.
• Tl-2201와 같이 청결한 과도도핑된 구리산염에서 아직 테라헤르츠 데이터가 없는 경우를 대비해 광학 전도도에 대한 예측 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• ARPES 데이터에서 유도된 실용적인 격자 티어빙 Fermi 표면을 사용하여 과도도핑된 구리산염의 전자 구조를 모델링하는 것.
• 비자기 불순물을 짧은 거리 산란자로 모델링한 더러운 d파장 BCS 이론을 적용하며, s파장 및 d파장 쌍성 채널을 모두 포함하는 것.
• 비열 및 저항도 데이터로부터 유도된 효과적 질량 증가를 통해 Fermi 액체 보정을 통합하는 것.
• 자기에너지 보정과 정점 효과를 간단화하기 위해 무시한 채, 쿠보 공식을 사용하여 광학 전도도 σ1(Ω)를 계산하는 것.
• 다양한 관측량에 동일한 불순물 매개변수(ΓN/π = 6 K for Tl-2201, 18 K for LSCO)를 사용하여 피팅 없이 일관성을 시험하는 것.
• 이론적 예측을 초전도 밀도, 비열, 열전도도, 테라헤르츠 전도도에 대한 실험 데이터와 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 더러운 d파장 BCS 이론에 Fermi 액체 보정을 적용한 모델이 조정 가능한 매개변수가 없는 과도도핑된 LSCO에서 비열과 열전도도 데이터를 정량적으로 기술할 수 있는가?
• RQ2 Tl-2201의 불순물 수준은 LSCO보다 어떻게 다른가? 이는 Tl-2201의 더 높은 Tc와 낮은 잔류 저항도를 설명하는가?
• RQ3 더 낮은 불순물 수준과 관측된 양자 진동을 고려할 때, 동일한 이론적 프레임워크가 Tl-2201의 광학 전도도를 예측할 수 있는가?
• RQ4 과도도핑 영역에서 Tc 저하의 주요 원인이 내재된 전자 상호작용이 아니라 불순물 효과일 정도로 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 Landau-BCS 체계가 새로운 물리학을 도입하지 않고도 과도도핑된 구리산염 초전도 상태를 기술할 수 있는가?

주요 결과

• Fermi 액체 보정이 포함된 더러운 d파장 BCS 모델은 이전 연구에서 유도된 불순물 매개변수만을 사용하여 과도도핑된 LSCO에서 비열 및 열전도도 데이터와 뛰어난 일치를 보였다.
• Tl-2201는 LSCO보다 약 3배 청결한 것으로 밝혀졌으며, 불순물 산란률이 낮다(ΓN/π = 6 K vs. 18 K), 이는 낮은 잔류 저항도와 관측된 양자 진동과 일치한다.
• 모델은 Tl-2201에서 LSCO보다 훨씬 높은 정상 상태 전도도와 낮은 잔류 스펙트럼 무게를 예측하며, 더 청결한 시스템의 기대와 일치한다.
• 낮은 온도에서 Tl-2201에는 LSCO에는 없는 좁은 저주파 전도도 피크가 나타나며, 이는 더 강한 위상 일관성과 감소된 불순물 산란을 나타낸다.
• 스핀 변동을 고려할 경우, Tl-2201의 광학 전도도에 눈에 띄는 '4Δ' 특징이 예측되며, 이는 유사한 시스템에서 이전에 관측된 바와 일치한다.
• LSCO와 Tl-2201 간의 비교에서 조정 가능한 매개변수를 사용하지 않았으며, 다양한 실험 관측량 간의 뛰어난 일치는 더러운 d파장 BCS 프레임워크의 강건성을 뒷받침한다.