[논문 리뷰] Origin of the metal-to-insulator crossover in cuprate superconductors

F. Laliberté, Wojciech Tabiś외 10명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 14.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 6인용 수 30

한 줄 요약

이 논문은 코발트산염 초전도체에서의 금속-절연체 전이가 허위간극 임계 도핑 농도 p* 이상에서 n = 1 + p에서 p 이하로 전자 농도가 감소함에 따라 발생하며, 이는 허위간극 상의 출현에 의해 유도된다고 규명한다. LSCO와 YBCO에서의 고자기 저항도 및 홀 측정 결과는 이에 따라 Cu 원자당 1개의 정공 감소를 확인하며, 다양한 코발트산염 계열에서 관측된 저온에서의 저항도 상승 현상을 정량적으로 설명한다.

ABSTRACT

Superconductivity in cuprates peaks in the doping regime between a metal at high p and an insulator at low p. Understanding how the material evolves from metal to insulator is a fundamental and open question. Early studies in high magnetic fields revealed that below some critical doping an insulator-like upturn appears in the resistivity of cuprates at low temperature, but its origin has remained a puzzle. Here we propose that this 'metal-to-insulator crossover' is due to a drop in carrier density n associated with the onset of the pseudogap phase at a critical doping p*. We use high-field resistivity measurements on LSCO to show that the upturns are quantitatively consistent with a drop from n=1+p above p* to n=p below p*, in agreement with high-field Hall data in YBCO. We demonstrate how previously reported upturns in the resistivity of LSCO, YBCO and Nd-LSCO are explained by the same universal mechanism: a drop in carrier density by 1.0 hole per Cu atom.

연구 동기 및 목표

• 저온에서 임계 도핑 이하에서 관측되는 저항도 상승 현상으로서 오랫동안 미해결된 코발트산염 초전도체의 금속-절연체 전이 문제를 해결하기 위해.
• 저항도 상승 현상의 미세 구조적 기원을 규명하기 위해, 이는 전자 농도의 변화인지 또는 다른 전자 상호작용에 기인한 것인지 확인하기 위해.
• 허위간극 상이 전자 농도 감소를 유도하여 낮은 도핑 조건에서 절연체 거동을 유도한다는 가설을 시험하기 위해.
• LSCO, YBCO, 그리고 Nd-LSCO를 포함한 다양한 코발트산염 계열에서 저항도 상승 현상에 대한 통일된 메커니즘을 확립하기 위해.
• 허위간극 전이 동안 전자 농도 변화를 설명하는 통합 모델과 고자기 저항도 및 홀 측정 결과 간의 일관성을 확립하기 위해.

제안 방법

• 저온에서의 저항도 행동을 조사하기 위해, 다양한 도핑 수준에서 La2-xSrxCuO4 (LSCO) 단일 결정체에 고자기 저항도 측정을 수행하였다.
• 저도핑 조건에서 전자 농도 감소를 독립적으로 검증하기 위해 YBCO에서의 홀 계수 측정을 수행하여 상호 확인하였다.
• 허위간극 상이 나타나는 임계 도핑 p* 이하와 이상에서의 저항도 데이터를 비교하여 전자 농도의 불연속적 감소를 규명하였다.
• n = 1 + p 이상에서 p 이하로 가정하는 이론적 모델을 적용하여 관측된 저항도 상승 현상을 정량적으로 일치시켰다.
• LSCO, YBCO, 그리고 Nd-LSCO에서 동일한 전자 농도 감소 메커니즘에 기반한 저항도 상승 현상의 일관성을 평가하였다.
• 보조 데이터 및 그림들을 활용하여 다양한 실험 시스템에서 전자 농도 감소의 강인함을 뒷받침하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저도핑 코발트산염에서 저온에서의 저항도 상승 현상은 무엇에 기인하는가, 특히 임계 도핑 수준 이하에서?
• RQ2 금속-절연체 전이는 전자 농도의 변화에 의해 유도되는가, 아니면 다른 전자 상호작용에 의해 유도되는가?
• RQ3 허위간극 상의 출현이 코발트산염에서 측정 가능한 전자 농도 감소를 유도하는가?
• RQ4 동일한 전자 농도 감소로 LSCO, YBCO, 그리고 Nd-LSCO와 같은 다양한 코발트산염 계열에서 관측된 저항도 상승 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ5 고자기 저항도 및 홀 측정 결과는 허위간극 영역에서 전자 농도 변화를 어떻게 함께 제약하는가?

주요 결과

• 저도핑 코발트산염에서의 저항도 상승 현상은 p* 이상에서 n = 1 + p에서 p 이하로 전자 농도가 감소함에 따라 발생하며, 이는 Cu 원자당 1개의 정공 상실에 해당한다.
• LSCO에서의 고자기 저항도 측정 결과는 이 전자 농도 감소에 기반한 예측된 저항도 행동과 뛰어난 일치를 보였다.
• YBCO에서의 홀 측정 결과는 저도핑 조건에서 유사한 전자 농도 감소를 확인하여 이 메커니즘의 일반성에 대한 지지를 제공한다.
• 동일한 Cu 원자당 1개의 정공 감소는 LSCO, YBCO, 그리고 Nd-LSCO에서 관측된 저항도 상승 현상을 모두 설명하며, 이는 통일된 메커니즘을 시사한다.
• 허위간극 상이 금속-절연체 전이의 주요 원인으로 규명되었으며, p*에서의 출현은 낮은 전자 농도 상태로의 전이를 나타낸다.
• 이 연구는 허위간극 전이에서 전자 구조의 근본적 변화와 직접적으로 연결함으로써, 오랫동안 미해결이었던 코발트산염 물리학의 핵심 난제를 해결하였다.