[论文解读] Characteristic electronic structure and its doping evolution in lightly-doped to underdoped YBa2Cu3Oy

Hironori Yagi, T. Yoshida+16 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2010

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 3

一句话总结

本研究利用角分辨光电子能谱（ARPES）和核心能级XPS，研究了轻掺杂至欠掺杂YBa₂Cu₃Oy的电子结构。结果表明，在节点方向，能隙态峰在4%空穴掺杂下仍能穿越费米能级，解释了其金属输运行为，同时观察到从低结合能特征向准粒子峰的光谱权重转移速度极快，快于LSCO，尽管电荷条纹有序程度相似。

ABSTRACT

We have performed an angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) study of lightly-doped to underdoped YBa2Cu3Oy (YBCO) untwinned single crystals and a core-level x-ray photoemission spectroscopy (XPS) study of YBCO single and polycrystals. In the zone diagonal (nodal) direction, dispersive quasi-particle (QP) features crossing the Fermi level were observed down to the hole concentration of ~ 4%, which explains the metallic transport of the lightly-doped YBCO. The chemical potential shift estimated from XPS was more rapid than in the Bi2212 cuprates. Upon hole doping, very rapid spectral weight transfer from high binding energies to the QP feature, even faster than La2-xSrxCuO4, was observed.

研究动机与目标

• 阐明轻掺杂至欠掺杂YBCO的电子结构，特别是准粒子态的性质与费米面拓扑结构。
• 解决YBCO中金属输运行为与缺乏完整费米面之间的明显矛盾，这一现象在其他铜氧化物中亦有观察。
• 研究化学势与光谱权重转移的掺杂演化行为，对比YBCO与LSCO及铋基铜氧化物。
• 确定在YBCO中是否仍存在类似LSCO中观察到的下 Hubbard 带（LHB）残余，或其迅速转移至准粒子峰。
• 考察电荷条纹在调制YBCO中化学势偏移与电子非均匀性中的作用。

提出的方法

• 在一系列氧含量（y = 6.20–6.60）的非孪晶YBa₂Cu₃Oy单晶上进行高分辨率ARPES测量，对应空穴掺杂δ ≈ 0.01–0.12。
• 对单晶与多晶YBCO样品进行核心能级X射线光电子能谱（XPS）测量，以测定掺杂引起的化学势偏移。
• 沿节点方向（0,0）–（π,π）分析角分辨谱，提取准粒子色散关系、费米面位置及光谱权重演化。
• 将ARPES数据与紧束缚模型拟合，提取与掺杂相关的参数，包括t'（次近邻跃迁积分）。
• 将XPS获得的化学势偏移与ARPES提取的准粒子权重及费米面拓扑结构相关联。
• 将结果与LSCO、Bi2212、Na-CCOC及Bi2201进行对比，识别YBCO中独特的电子行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在YBCO中，是否在4%空穴掺杂下仍存在穿越费米能级的弥散准粒子峰，从而解释其金属输运行为？
• RQ2 与其它铜氧化物相比，YBCO中从高结合能特征（如LHB）向准粒子峰的光谱权重转移速度如何？
• RQ3 在轻掺杂YBCO中是否存在类似LSCO中观察到的下 Hubbard 带（LHB）残余，还是其迅速被抑制？
• RQ4 YBCO中化学势随空穴掺杂如何变化？与LSCO及铋基铜氧化物相比有何异同？
• RQ5 鉴于YBCO在电荷条纹方面与LSCO相似，电荷条纹在调制YBCO中化学势与电子非均匀性方面起何作用？

主要发现

• 在YBCO的节点方向，观察到穿越费米能级的弥散准粒子峰，其存在可延伸至约4%空穴浓度，解释了其金属输运行为。
• YBCO中从高结合能特征向准粒子峰的光谱权重转移速度比LSCO更快，接近Bi2212与Na-CCOC中的速率。
• YBCO中化学势的掺杂依赖性变化速率与Bi2212、Bi2201及Na-CCOC相当，尽管其电荷条纹有序程度与LSCO相似。
• YBCO中费米面形状与较大的|t'|参数与Bi2212等双层耦合体系一致，而非LSCO。
• 在约0.8 eV结合能范围内，未观察到YBCO中下 Hubbard 带（LHB）的清晰残余，可能由于强光谱权重转移及O 2p带尾部的掩蔽作用。
• 尽管YBCO中电荷条纹有序程度与LSCO相似，但其化学势快速偏移表明YBCO中可能存在不同类型的电荷条纹有序或电子非均匀性。