[论文解读] Change in sign of the Hall coefficient from Fermi surface curvature in underdoped high Tc copper oxide superconductors

N. Harrison, Suchitra E. Sebastian|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出，在欠掺杂高温超导铜氧化物中，霍尔系数符号反转源于电荷有序形成的菱形电子费米面口袋的费米面曲率，而非多个费米面口袋。采用均匀散射时间的Shockley-Chambers管积分方法，该模型在单一费米面口袋框架内重现了实验观测到的符号反转、正磁阻以及霍尔系数的量子振荡——这些是正常态输运的关键特征。

ABSTRACT

It has recently been proposed that the Fermi surface of underdoped high Tc copper oxide materials within the charge-ordered regime consists of a diamond-shaped electron pocket constructed from arcs connected at vertices. We show here that on modeling the in-plane magnetotransport of such a Fermi surface using the Shockley-Chambers tube integral approach and a uniform scattering time, several key features of the normal state in-plane transport of the underdoped copper oxide systems can be understood. These include the sign reversal in the Hall coefficient, the positive magnetoresistance and magnetic quantum oscillations in the Hall coefficient.

研究动机与目标

• 解释在低温下欠掺杂高温超导铜氧化物中实验观测到的霍尔系数符号反转现象。
• 研究仅凭费米面曲率（无需多个费米面口袋）是否足以解释霍尔系数对磁场和温度的依赖关系。
• 确定由电荷有序形成的单一菱形电子费米面口袋是否能重现正磁阻和霍尔系数的量子振荡。
• 评估该模型与热容和量子振荡数据等互补测量结果的一致性。
• 评估散射时间变化和费米速度各向异性对曲率费米面口袋中霍尔响应的影响。

提出的方法

• 将Shockley-Chambers管积分方法应用于单一菱形电子费米面口袋的均匀散射时间模型。
• 通过沿费米面口袋轨道对费米速度和散射时间的时间依赖积分，计算纵向（σxx）和横向（σxy）电导分量。
• 霍尔系数RH计算为RH = (1/B) × σxy / (σxy² + σxx²)，该表达式源自任意磁场下的完整电导率张量。
• 费米速度分量vx和vy被参数化为时间t和弧长角α的函数，并施加反映菱形几何结构的周期性边界条件。
• 通过将散射时间τ⁻¹替换为振荡形式τ̃⁻¹ ≈ (1 + 2cos(2πF/B − π)e⁻π/ωτ)τ⁻¹，对RH中的量子振荡进行建模，该形式基于费米黄金规则和态密度振荡。
• 通过将模拟的RH vs. B和RH vs. τ⁻¹曲线与YBa₂Cu₃O₆₊ₓ、YBa₂Cu₄O₈和HgBa₂CuO₄₊δ的实验数据对比，验证了该模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过单一菱形电子费米面口袋的费米面曲率解释欠掺杂铜氧化物中霍尔系数的符号反转？
• RQ2 在均匀散射时间条件下，Shockley-Chambers形式化方法是否能重现正常态中观测到的磁阻和霍尔系数行为？
• RQ3 在不引入多个费米面口袋的前提下，能否从单一曲率费米面口袋中产生霍尔系数的量子振荡？
• RQ4 菱形口袋的曲率角α如何影响霍尔系数的大小和符号？
• RQ5 该模型是否与YBa₂Cu₃O₆₊ₓ中散射时间、有效质量和Dingle温度的实验数据一致？

主要发现

• 该模型成功重现了霍尔系数在低温下由正变负的符号反转，与YBa₂Cu₃O₆₊ₓ、YBa₂Cu₄O₈和HgBa₂CuO₄₊δ的实验数据一致。
• 霍尔系数表现出磁场依赖性，且在高场区域趋于饱和，其高场极限趋近于−1/en，与单一电子口袋一致。
• 在模型中，正磁阻ρxx自然产生，且随菱形口袋的曲率角α增大而增强。
• 当散射时间τ⁻¹被替换为振荡形式τ̃⁻¹时，预测了霍尔系数中的量子振荡，其振幅在大α值时可达到RH的显著分数。
• 通过将τ⁻¹（近似为Dingle温度）与温度关联，该模型解释了霍尔系数的温度依赖性，其定性行为与实验RH(T)数据相符。
• 引入空间变化的τ⁻¹（向顶点方向减小）可降低RH的负贡献，使在较小α值下即可实现符号反转，与实验趋势一致。