[논문 리뷰] Pseudogap in electron-doped cuprates: Strong correlation leading to band splitting

Masafumi Horio, Shiro Sakai외 11명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 12.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 전자 도핑된 커퍼레이트에서 허위 갭이 반강체 상태에 가까이 있을 때 발생하며, 이는 이전에 제안된 반자성(antiferromagnetic, AFM) 밴드 접힘에 기인하지 않음을 입증한다. 역방향 분광법(ARPES)을 통해 동역학적 s-대칭 허위 갭이 운동량에 따라 달라지며, 반정점에서 감소하는 것으로 관측되었다. 이 결과는 클러스터 동적 평균장 이론(CDMFT) 계산과 일치하며, 구멍 도핑 및 전자 도핑된 커퍼레이트에서 허위 갭의 근본 원인이 동일한 Mott 물리학에 기인함을 지지한다.

ABSTRACT

The pseudogap phenomena have been a long-standing mystery of the cuprate high-temperature superconductors. The pseudogap in the electron-doped cuprates has been attributed to band folding due to antiferromagnetic (AFM) long-range order or short-range correlation. We performed an angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) study of the electron-doped cuprates Pr$_{1.3-x}$La$_{0.7}$Ce$_x$CuO$_4$ showing spin-glass, disordered AFM behaviors, and superconductivity at low temperatures and, by measurements with fine momentum cuts, found that the gap opens on the unfolded Fermi surface rather than the AFM Brillouin zone boundary. The gap did not show a node, following the full symmetry of the Brillouin zone, and its magnitude decreased from the zone-diagonal to ($π$,0) directions, opposite to the hole-doped case. These observations were reproduced by cluster dynamical-mean-field-theory (CDMFT) calculation, which took into account electron correlation precisely within a (CuO$_2$)$_4$ cluster. The present experimental and theoretical results are consistent with the mechanism that electron or hole doping into a Mott insulator creates an in-gap band that are separated from the upper or lower Hubbard band by the pseudogap.

연구 동기 및 목표

• 전자 도핑된 커퍼레이트에서 허위 갭의 기원을 연구하며, 특히 스핀 거품과 비정질 반자성(AFM) 질서가 존재할 경우를 고려한다.
• 이전에 제안된 바와 같이 허위 갭이 AFM에 의해 유도된 밴드 접힘에 기인하는지 여부를 검증하기 위해, 그 운동량 의존성과 갭 크기를 분석한다.
• 전자 도핑된 시스템에서의 허위 갭이 구멍 도핑된 커퍼레이트에서의 것과 동일한 기원을 공유하는지, 특히 Mott 절연체 상태에 가까이 있을 경우를 중심으로 규명한다.
• 실험적 ARPES 데이터를 클러스터 동적 평균장 이론(CDMFT) 계산과 비교하여 Mott 물리학 시나리오를 검증한다.
• 오랫동안 놓여진 허위 갭의 보편성 논쟁을 전자 도핑 및 구멍 도핑 커퍼레이트의 행동을 대조함으로써 해결한다.

제안 방법

• 10 K에서 16.5 eV 원형 편광 빛을 사용하여 에너지 해상도 15 meV로 보호-열처리한 Pr1.3-xLa0.7Ce xCuO4(PLCCO, x=0.02) 단일 결정에서 역방향 분광법(ARPES) 측정을 수행하였다.
• 표본은 850 °C와 400 °C에서 보호-열처리하여 준입자 산란을 억제하고 스펙트럼의 명료도를 향상시켰다.
• 초고진공(<3×10⁻¹¹ Torr) 조건에서 측정하여 깔끔한 균열 표면과 고품질 데이터 확보를 보장하였다.
• 클러스터 동적 평균장 이론(CDMFT) 계산은 2×2 상호작용 클러스터를 8개의 배스 사이트와 연결하여 0 K에서 정확한 대각화 방법으로 수행하였다.
• 에너지 브로드닝 인자 0.05t와 누적량 보간 기법을 사용하여 실험 해상도를 시뮬레이션하였다.
• 뮤온 스핀 회전(μSR) 및 자화율 측정을 통한 자기 특성 분석 결과, 140 K 이하에서는 비정질 반자성, 15 K 이하에서는 스핀 거품 행동이 확인되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자 도핑된 커퍼레이트에서의 허위 갭은 이전에 제안된 바와 같이 반자성 밴드 접힘에 기인하는가?
• RQ2 특히 반정점 영역(π,0)과 (0,π) 근처에서 허위 갭 크기는 운동량 공간에서 어떻게 변화하는가?
• RQ3 관측된 허위 갭이 Mott 절연체 상태에 가까이 있을 때 기인하는 s-대칭 갭과 일치하는가?
• RQ4 클러스터 동적 평균장 이론(CDMFT) 계산이 ARPES에서 관측된 운동량 의존성 허위 갭을 재현할 수 있는가?
• RQ5 전자 도핑된 커퍼레이트에서의 허위 갭은 구멍 도핑된 커퍼레이트에서 허위 갭을 지배하는 동일한 Mott 물리학과 보편적으로 연결되어 있는가?

주요 결과

• 전자 도핑된 PLCCO(x=0.02)에서의 허위 갭은 강한 운동량 의존성을 보이며, 반정점(π,0)과 (0,π)에서 사라지며, 이는 AFM 부역할 브릴루앙 영역 경계를 따라 일정한 갭 크기를 유지해야 한다는 예측과 모순된다.
• 반정점 근처에서 갭이 열리는 위치가 AFM 부역할 브릴루앙 영역 경계에서 벗어나며, 이는 AFM 밴드 접힘 모델과 부합하지 않는다.
• ARPES 데이터는 반정점 영역에 가까워질수록 허위 갭 크기가 명확히 감소함을 보이며, 이는 CDMFT 계산에서 예측한 바와 같이 (π,0)에서 갭 최소값이 존재함을 시사한다.
• Hubbard 모델 기반의 CDMFT 계산은 관측된 운동량 의존성, 즉 반정점에서 최소값을 가지며 밴드 접힘 없이 s-대칭 허위 갭을 재현한다.
• 결과적으로, 구멍 도핑 및 전자 도핑 커퍼레이트에서 허위 갭의 기원이 Mott 절연체 상태에 가까이 있을 때 공통적으로 기인함을 지지하며, 허위 갭은 축소된 Mott 갭과 유사하다.
• 강력하고 일정한 갭이 AFM BZ 경계를 따라 존재하지 않으며, 밴드 접힘 그림이 실패하는 것은 허위 갭이 장거리 반자성 질서에 의해 유도되지 않고, Mott 물리학에 내재된 강한 전자 상호작용에 기인함을 시사한다.