[논문 리뷰] Link between magnetism and resistivity upturn in cuprates: a thermal conductivity study of La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$

Patrick Bourgeois-Hope, S. Y. Li외 9명|Bristol Research (University of Bristol)|2019. 10. 17.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 50 mK까지의 열전도도 측정을 통해 underdoped cuprates에서 스핀 밀도 파동(SDW) 질서와 저항도 상승 사이의 직접적 연관성을 밝혀내었다. La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$에서 전자적 열전도도 $\kappa_0/T$는 고자기장에서 감소하며, 이는 SDW 질서의 출현과 정확히 일치한다. 이는 Wiedemann-Franz 법칙을 통해 저항도 상승을 설명하며, $p^\star$ 이하에서는 SDW 질서가 핵심 메커니즘으로 규명된다.

ABSTRACT

A key unexplained feature of cuprate superconductors is the upturn in their normal state electrical resistivity $ρ(T)$ seen at low temperature inside the pseudogap phase. We examined this issue via measurements of the thermal conductivity $κ(T)$ down to 50 mK and in fields up to 17 T on the cuprate La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ at dopings $p = 0.13$, 0.136, 0.143 and 0.18. At $p$ = 0.136, 0.143, and 0.18, we observe an initial increase of the electronic thermal conductivity $κ_0/T$ as a function of field, as expected in a $d$-wave superconductor. For $p$ = 0.136 and 0.143, further increasing the field then leads to a decrease of $κ_0/T$, which correlates with the onset of spin density-wave order as observed in neutron scattering experiments on the same samples. This decrease of $κ_0/T$ with field is imposed by the Wiedemann-Franz law and the high value of the resistivity in the high-field normal state of these samples. Our study therefore provides a direct link between magnetism and the resistivity upturn in the pseudogap phase of cuprates. We discuss this scenario in the broader context of other cuprates.

연구 동기 및 목표

• underdoped cuprates의 허위간섭상태에서 저항도 상승의 기원을 규명하고자 하였다. 특히 초전도성이 없는 조건에서의 기원을 다루고자 하였다.
• 저온에서 관측된 저항도 상승이 스핀 밀도 파동(SDW) 질서와 같은 자기질서에 기인한 것인지 규명하고자 하였다.
• 저항도 상승이 허위간섭상태에서의 실체 농도 감소만으로 설명될 수 없고, 자성과 연관된 추가 메커니즘이 필요하다는 가설을 검증하고자 하였다.
• 열전도도를 저항도의 대체 지표로 사용하여, 중성자 산란으로 확인된 SDW 질서의 출현과의 필드 및 도핑 의존성과 연관지어 분석하고자 하였다.
• LSCO의 정상상태에서 저항도 상승의 시작과 SDW 질서의 임계 자기장 사이에 정량적 연관성을 확립하고자 하였다.

제안 방법

• La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ 단결정 표본에서 도핑 $p = 0.13$, 0.136, 0.143, 0.18에서 50 mK까지의 전자적 열전도도 $\kappa(T)$를 측정하였다.
• 초전도성을 억제하고 정상상태에 접근하기 위해 최대 17 T의 자기장을 적용하였다.
• 정상상태에서 루소르 비율이 유지된다고 가정하여 Wiedemann-Franz 법칙을 사용해 $\kappa_0/T$에서 저항도 $\rho(T)$를 유추하였다.
• 중성자 산란 데이터를 기반으로 한 SDW 질서의 출현과 $H_{\rm SDW}$를 기준으로 하여 $\kappa_0/T$의 필드 변화를 비교하였다.
• 고자기장에서의 $\kappa_0/T$ 감소가 SDW 질서의 출현과 관련되어 있으며, 이는 $T \to 0$ 근처에서 저항도 상승과도 관련이 있음을 규명하였다.
• Zn 도핑된 표본과 투입자 스핀 회전 분석 데이터를 활용하여 저온 자성과 저항도 상승의 존재를 교차 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 underdoped La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$의 자기장 유도 정상상태에서 스핀 밀도 파동(SDW) 질서의 출현이 저항도 상승의 발생과 동시에 일어나는가?
• RQ2 cuprates의 허위간섭상태에서 저항도 상승은 실체 농도 감소로만 기인하는가, 아니면 자성 산란과 같은 추가 메커니즘이 필요한가?
• RQ3 허위간섭상태가 끝나는 임계 도핑 $p^\star$와 SDW 질서가 나타나는 도핑 사이의 관계는 어떠한가?
• RQ4 정상상태에서 열전도도 $\kappa_0/T$의 자기장 의존성이 $T \to 0$ 근처에서 저항도 행동을 어떻게 반영하는가?
• RQ5 LSCO에서 자기장과 Zn 도핑이라는 서로 다른 억제 메커니즘에 대해 자성과 저항도 상승의 연관성은 얼마나 견고한가?

주요 결과

• 도핑 $p = 0.136$, $0.143$, $0.18$에서 전자적 열전도도 $\kappa_0/T$는 예상대로 자기장 증가에 따라 처음에는 증가한다. 이는 $d$-파동 초전도체의 특성과 일치한다.
• 도핑 $p = 0.136$ 및 $0.143$에서 자기장 증가에 따라 $\kappa_0/T$가 감소하며, 이는 중성자 산란으로 관측된 스핀 밀도 파동(SDW) 질서의 출현과 정확히 일치한다.
• 고자기장에서의 $\kappa_0/T$ 감소는 Wiedemann-Franz 법칙을 통해 저항도 상승과 연결되며, 이는 자성 질서에 의한 산란 증가로 인한 저항도 증가를 시사한다.
• SDW 질서의 임계 자기장 $H_{\rm SDW}$는 $T \to 0$ 근처에서 저항도 상승이 시작되는 자기장과 정확히 일치한다. 이는 직접적인 인과관계를 확인한다.
• 선형적 외삽을 통해 $H_{\rm SDW}(p)$ 선이 초전도 임계 자기장 $H_{\rm c2}(p)$와 $p \simeq 0.18$에서 만난다. 이는 $p^\star \simeq 0.18$와 일치하며, 초전도성이 없는 조건에서 $p_{\rm SDW} = p^\star$임을 시사한다.
• SDW 질서가 발생하지 않는 표본, 예를 들어 YBCO에서 $p = 0.18$ 또는 Zn 도핑된 LSCO에서 $p = 0.18$에서는 저항도 상승이 관측되지 않아, 자성이 저항도 상승의 필수 조건임을 확인한다.