[论文解读] Closing the Pseudogap by Zeeman Splitting in Bi_2Sr_2CaCu_2O_8+y at High Magnetic Fields

T. Shibauchi, Krusin-Elbaum, L.+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2001

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 6

一句话总结

本研究利用高达60 T的高场层间电阻率测量，在Bi2Sr2CaCu2O8+y中表明赝能隙通过自旋自由度的Zeeman分裂关闭，而非轨道效应。赝能隙关闭场强H_pg与T⋆呈线性关系，表明其起源于自旋，与掺杂莫特绝缘体模型一致。

ABSTRACT

Interlayer tunneling resistivity is used to probe the low-energy density-of-states (DOS) depletion due to the pseudogap in the normal state of Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+y}$. Measurements up to 60 T reveal that a field that restores DOS to its ungapped state shows strikingly different temperature and doping dependencies from the characteristic fields of the superconducting state. The pseudogap closing field and the pseudogap temperature $T^{\star}$ evaluated independently are related through a simple Zeeman energy scaling. These findings indicate a predominant role of spins over the orbital effects in the formation of the pseudogap.

研究动机与目标

• 确定Bi2Sr2CaCu2O8+y中赝能隙在宽掺杂范围内的磁场依赖性。
• 利用高磁场区分赝能隙形成过程中自旋驱动与轨道驱动机制。
• 绘制赝能隙态的H–T相图，并与超导态进行比较。
• 检验赝能隙关闭场强是否与Zeeman能量成比例，以判断其自旋起源。
• 评估欠掺杂区与过掺杂区中量子涨落的作用。

提出的方法

• 在国家高磁场实验室利用脉冲磁场（最高60 T）测量Bi2Sr2CaCu2O8+y单晶的层间电阻率ρ_c。
• 使用直流磁场（最高33 T）与脉冲磁场（最高60 T）以进入高场、低温区域。
• 通过在O2/N2中退火控制空穴浓度p，覆盖欠掺杂至过掺杂区域。
• 通过态密度（DOS）耗竭引起的额外电阻率Δρ_c分析，提取赝能隙关闭场强H_pg。
• 将H_pg(T)与T⋆(p)进行比较，检验Zeeman能量比例关系：H_pg(0) ∝ T⋆。
• 将H_pg与超导态峰值场H_sc对比，以排除轨道效应或相位涨落机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 Bi2Sr2CaCu2O8+y中的赝能隙是否在高磁场下关闭？若关闭，所需场强为多大？
• RQ2 赝能隙关闭场强H_pg如何随温度与掺杂水平变化？
• RQ3 赝能隙的场依赖性是否与自旋自由度的Zeeman分裂一致，而非轨道效应？
• RQ4 H_pg–T⋆关系与自旋驱动赝能隙形成的理论预期相比如何？
• RQ5 在过掺杂区H_pg的行为对量子涨落及预形成对的性质有何启示？

主要发现

• 在过掺杂样品（p ≈ 0.22）中，赝能隙在约60 T的磁场下关闭，此时T⋆降低约20 K。
• 在整个掺杂范围内，赝能隙关闭场强H_pg(0)与T⋆呈线性关系，与Zeeman能量比例关系一致。
• 在p → 0极限下，H_pg(0)外推值约为930 K，与反铁磁交换能J匹配，支持自旋隙起源。
• 在过掺杂区，H_pg与H_sc（超导态峰值场）几乎相等，表明量子涨落极小。
• H_pg–T⋆关系具有鲁棒性，且不受轨道效应影响，表明自旋自由度主导赝能隙形成。
• 在T_c与H_sc之上的ρ_c场依赖性观测结果证实，赝能隙由Zeeman分裂抑制，而非轨道耦合。