[논문 리뷰] Lifshitz critical point in the cuprate superconductor YBa2Cu3Oy from high-field Hall effect measurements

David LeBoeuf, N. Doiron-Leyraud외 15명|arXiv (Cornell University)|2010. 09. 10.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 강자성체 YBa₂Cu₃Oᵧ의 정공 도핑에서 $p_{\rm L} = 0.08$ 에서 Lifshitz 전이를 규명한다. 여기서 피에르 표면의 전자 포켓이 사라지며, 이로 인해 저온에서의 전도도는 급격히 감소하고 저항률은 급격히 증가한다. 고자기장 홀 효과 측정 결과, $p_{\rm L}$ 이하에서 홀 계수의 부호가 음성에서 양성으로 전환되며, 이는 전자성에서 정공성으로의 피에르 표면의 위상적 변화를 나타내며, 스트립 순서나 스핀 밀도 파동 재구성에 의해 이끌린다.

ABSTRACT

The Hall coefficient R_H of the cuprate superconductor YBa2Cu3Oy was measured in magnetic fields up to 60 T for a hole concentration p from 0.078 to 0.152, in the underdoped regime. In fields large enough to suppress superconductivity, R_H(T) is seen to go from positive at high temperature to negative at low temperature, for p > 0.08. This change of sign is attributed to the emergence of an electron pocket in the Fermi surface at low temperature. At p < 0.08, the normal-state R_H(T) remains positive at all temperatures, increasing monotonically as T o 0. We attribute the change of behaviour across p = 0.08 to a Lifshitz transition, namely a change in Fermi-surface topology occurring at a critical concentration p_L = 0.08, where the electron pocket vanishes. The loss of the high-mobility electron pocket across p_L coincides with a ten-fold drop in the conductivity at low temperature, revealed in measurements of the electrical resistivity $ρ$ at high fields, showing that the so-called metal-insulator crossover of cuprates is in fact driven by a Lifshitz transition. It also coincides with a jump in the in-plane anisotropy of $ρ$, showing that without its electron pocket the Fermi surface must have strong two-fold in-plane anisotropy. These findings are consistent with a Fermi-surface reconstruction caused by a unidirectional spin-density wave or stripe order.

연구 동기 및 목표

• 고자기장에서의 정공 도핑 및 온도 의존성에 따라, underdoped YBa₂Cu₃Oᵧ의 홀 계수를 조사하여 피에르 표면 위상 구조를 탐구한다.
• 저온에서의 운반성질 변화를 분석하여, 커퍼레이트의 금속-절연체 전이의 기원을 규명한다.
• 피에르 표면 위상 변화를 유도하는 임계 도핑 $p_{\rm L}$ 을 특정하여 Lifshitz 전이가 발생하는 지점을 규명한다.
• 전자 포켓의 소멸과 강한 면내 저항률 이방성 및 저온에서의 저항률 증가 간의 연관성을 규명한다.
• 피에르 표면 재구성에 의해 스트립 순서 또는 스핀 밀도 파동 순서가 관찰된 운반성질 이상현상의 원인임을 검증한다.

제안 방법

• 초전도성을 억제하고 정상 상태를 탐색하기 위해, 60 T까지의 고자기장에서 YBa₂Cu₃Oᵧ 단결정에 대해 홀 효과 측정을 수행하였다.
• 정공 도핑 $p$ 를 0.078 에서 0.152 사이로 변화시키며, underdoped 영역에서 홀 계수 $R_{\rm H}(T)$ 를 측정하였다.
• 도핑 $p > 0.08$ 에서 저온에서 $R_{\rm H}$ 의 부호가 음성에서 양성으로 전환되는 것을 관찰하였으며, 이는 전자 포켓의 발생과 이후 소멸을 증거로 해석하였다.
• 전도도 변화를 평가하고 금속-절연체 전이의 존재를 확인하기 위해 고자기장에서 전기 저항률 $\rho$ 를 측정하였다.
• 피에르 표면의 대칭성 파괴 효과를 탐지하기 위해, 면내 이방성 $\rho_a / \rho_b$ 를 분석하였다.
• 관측된 Lifshitz 전이를 설명하기 위해 스트립 순서 또는 스핀 밀도 파동 순서에 의한 피에르 표면 재구성 이론 모델과 데이터를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 YBa₂Cu₃Oᵧ 의 피에르 표면 위상은 어느 도핑에서 Lifshitz 전이를 겪는가?
• RQ2 정상 상태에서 underdoped YBCO 의 홀 계수 $R_{\rm H}$ 는 온도 및 도핑에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 전자 포켓의 소멸과 저항률에서 관찰된 금속-절연체 전이 간의 관계는 무엇인가?
• RQ4 임계 도핑 $p_{\rm L}$ 에서 면내 저항률 이방성 $\rho_a / \rho_b$ 는 증가하는가? 이는 피에르 표면 대칭성에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 관측된 Lifshitz 전이가 스트립 순서 또는 스핀 밀도 파동 순서에 의해 유도된 피에르 표면 재구성과 일치하는가?

주요 결과

• 임계 도핑 $p_{\rm L} = 0.08$ 에서 YBa₂Cu₃Oᵧ 에서 피에르 표면 위상이 전자성에서 정공성으로 변화하는 Lifshitz 전이가 발생한다.
• 도핑 $p > 0.08$ 에서 저온에서 홀 계수 $R_{\rm H}$ 는 음성으로 나타나며, 브릴루앙 영역의 $(\pi,0)$ 점에 중심을 둔 고이동도 전자 포켓이 존재함을 나타낸다.
• $p_{\rm L} = 0.08$ 이하에서는 $R_{\rm H}$ 가 양성으로 전환되며, 절대온도에 가까워질수록 단조적으로 증가하여 전자 포켓의 존재가 없음을 시사한다.
• 전자 포켓의 상실은 저온에서의 전도도가 10배 감소함을 보여주며, 이는 저항률 $\rho$ 의 급격한 증가로 나타난다.
• 면내 저항률 이방성 $\rho_a / \rho_b$ 는 $p_{\rm L}$ 이하에서 크게 증가하여, 피에르 표면에서 강한 이중 대칭성 파괴를 나타낸다.
• 도핑 의존성에 따른 $T_c$ 감소 및 $T_0$ (피에르 표면 재구성의 지표) 의 변화는 직접적인 상관관계를 보이며, $p = 1/8$ 에서 최대치를 보이며 스트립 순서가 Lifshitz 전이를 이끄는 데 기여함을 뒷받침한다.