[논문 리뷰] Out-of-plane Seebeck coefficient of the cuprate La$_{1.6-x}$Nd$_{0.4}$Sr$_{x}$CuO$_4$ across the pseudogap critical point: particle-hole asymmetry and Fermi surface transformation

Adrien Gourgout, G. Grissonnanche외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 10.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 페루오스갭 임계 doping p* = 0.23에서 Nd-LSCO 커퍼레이트의 평면 외(S_c) 및 평면 내(S_ab) 시브 효과를 측정한다. p* 이하에서 S_c가 음성임을 규명하여 피어미 표면의 전환을 시사하며, p* 이상에서는 S_ab가 양성이고 등방성임을 확인하여 비페르미 액체 거동과 관련된 입자-홀 대칭성 위반을 시사한다. 핵심 발견은 S_c의 부호 반전이 p*에서 전자 구조의 근본적 변화를 나타낸다는 것이다.

ABSTRACT

We report measurements of the Seebeck effect in both the $ab$ plane ($S_{ m a}$) and along the $c$ axis ($S_{ m c}$) of the cuprate superconductor La$_{1.6-x}$Nd$_{0.4}$Sr$_{x}$CuO$_4$ (Nd-LSCO), performed in magnetic fields large enough to suppress superconductivity down to low temperature. We use the Seebeck coefficient as a probe of the particle-hole asymmetry of the electronic structure across the pseudogap critical doping $p^{\star} = 0.23$. Outside the pseudogap phase, at $p = 0.24 > p^{\star}$, we observe a positive and essentially isotropic Seebeck coefficient as $T ightarrow 0$. That $S > 0$ at $p = 0.24$ is at odds with expectations given the electronic band structure of Nd-LSCO above $p^{\star}$ and its known electron-like Fermi surface. We can reconcile this observation by invoking an energy-dependent scattering rate with a particle-hole asymmetry, possibly rooted in the non-Fermi liquid nature of cuprates just above $p^{\star}$. Inside the pseudogap phase, for $ p < p^{\star}$, $S_{ m a}$ is seen to rise at low temperature as previously reported, consistent with the drop in carrier density $n$ from $n \simeq 1 + p$ to $n \simeq p$ across $p^{\star}$ as inferred from other transport properties. In stark contrast, $S_{ m c}$ at low temperature becomes negative below $p^{\star}$, a novel signature of the pseudogap phase. The sudden drop in $S_{ m c}$ reveals a change in the electronic structure of Nd-LSCO upon crossing $p^{\star}$. We can exclude a profound change of the scattering across $p^{\star}$ and conclude that the change in the out-of-plane Seebeck coefficient originates from a transformation of the Fermi surface.

연구 동기 및 목표

• p* = 0.23에서 Nd-LSCO의 전자 구조에 대한 입자-홀 대칭성 위반을 탐구하기 위해.
• p = 0.24 > p*에서 비정상적으로 양성인 시브 효과가 관찰되나, 전자 유형의 피어미 표면 예측과는 다름을 이해하기 위해.
• p*에서의 평면 외 시브 효과 S_c가 피어미 표면 위상의 변화인지, 또는 산란 메커니즘의 변화인지 확인하기 위해.
• 페루오스갭 전이 동안 시브 효과에 기여하는 산란 기반 및 피어미 표면 기반 기여를 구분하기 위해.

제안 방법

• p = 0.24 > p* 및 p < p*에서 Nd-LSCO 단결정에서 평면 내(S_ab) 및 평면 외(S_c) 시브 효과를 doping x에 따라 측정한다.
• 초고자기장을 적용하여 초전도성을 억제하고, 낮은 온도에서 정상 상태에 도달할 수 있도록 한다.
• Mott 공식 및 그 이방성 확장식을 통해 시브 효과를 통해 운반자 농도와 피어미 표면 위상의 특성을 탐사한다.
• p*를 기준으로 S_ab 및 S_c의 행동을 비교하여 전자 구조의 변화, 특히 입자-홀 대칭성 위반과 피어미 표면 재구성의 여부를 추론한다.
• 온도 및 자기장 의존성 비교를 통해 산란률 변화가 S_c 이질성의 원인임을 배제한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 p = 0.24 > p*에서 Nd-LSCO에서 시브 효과가 양성임에도 불구하고 전자 유형의 피어미 표면 예측과는 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ2 왜 평면 외 시브 효과 S_c가 p* 이하에서 음성으로 변하는가?
• RQ3 p*를 기준으로 S_c가 변화하는 것은 피어미 표면 재구성 때문인지, 또는 산란률 변화 때문인가?
• RQ4 전자 구조의 입자-홀 대칭성 위반은 p* 근처의 시브 효과에 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• p = 0.24 > p*에서 시브 효과 S_ab는 양성이고 등방성이며, 전자 유형의 피어미 표면 예측과는 다름을 보여 입자-홀 대칭성 위반을 시사한다.
• p* = 0.23 이하에서는 저온에서 S_ab가 증가하며, p*를 기준으로 n ≈ 1 + p에서 n ≈ p로 운반자 농도가 감소하는 것과 일치한다.
• 평면 외 시브 효과 S_c는 p* 이하에서 음성으로 변하며, 이는 정상 상태에서 관찰되지 않는 페루오스갭 상의 새로운 서명이다.
• p*에서 S_c가 급격히 감소하는 현상은 산란률 변화로는 설명될 수 없으며, 피어미 표면의 근본적 전환을 시사한다.
• S_c 부호의 반전은 전자 구조의 변화, 특히 p*를 기준으로 피어미 표면 재구성에 기인한 것으로 기인한다.