[論文レビュー] Critical Doping for the Onset of Fermi-Surface Reconstruction by Charge-Density-Wave Order in the Cuprate Superconductor La$ _{2-x} $Sr$_{x} $CuO$ _{4}$

S. Badoux, S. Afshar+12 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Dec 1, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、酸化ランタノムスルファイド銅酸化物（La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$）における高磁場におけるサーベック効果およびホール係数の測定を通じて、電荷密度波（CDW）秩序によるフェルミ面再構築が、穴ドーピング $p < 0.15$ の範囲でのみ発生し、CDW秩序は $p_{\text{CDW}} = 0.15 \pm 0.005$ で終了することが示された。これは擬似ギャップ臨界ドーピング $p^* \simeq 0.19$ よりも顕著に低い値である。結果から、CDW秩序は銅酸化物における擬似ギャップ相の二次的不安定性であることが確立された。

ABSTRACT

The Seebeck coefficient $S$ of the cuprate superconductor La$ _{2-x} $Sr$_{x} $CuO$ _{4}$ (LSCO) was measured in magnetic fields large enough to access the normal state at low temperatures, for a range of Sr concentrations from $x = 0.07$ to $x = 0.15$. For $x = 0.11$, 0.12, 0.125 and 0.13, $S/T$ decreases upon cooling to become negative at low temperatures. The same behavior is observed in the Hall coefficient $R_{H}(T)$. In analogy with other hole-doped cuprates at similar hole concentrations $p$, the negative $S$ and $R_{H}$ show that the Fermi surface of LSCO undergoes a reconstruction caused by the onset of charge-density-wave modulations. Such modulations have indeed been detected in LSCO by X-ray diffraction in precisely the same doping range. Our data show that in LSCO this Fermi-surface reconstruction is confined to $0.085 &lt; p &lt; 0.15$. We argue that in the field-induced normal state of LSCO, charge-density-wave order ends at a critical doping $p_{ m CDW} = 0.15 \pm 0.005$, well below the pseudogap critical doping $p^\star \simeq 0.19$.

研究の動機と目的

• 酸化ランタノムスルファイド銅酸化物（La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$）において、電荷密度波（CDW）秩序がフェルミ面再構築を引き起こすドーピング範囲を特定すること。
• 磁場誘発状態におけるCDW秩序が消滅する臨界ドーピング $p_{\text{CDW}}$ を特定すること。
• ドーピング不足の銅酸化物におけるCDW秩序、フェルミ面再構築、および擬似ギャップ相との関係を明確にすること。
• LSCOとYBCO、Eu-LSCO、Hg1201を比較することで、CDW駆動フェルミ面再構築の普遍性を検証すること。

提案手法

• ドーピング $x = 0.07$ から $0.15$ の範囲で、単結晶LSCOにおける低温・高磁場下でのサーベック係数 $S(T)$ およびホール係数 $R_{\text{H}}(T)$ 測定。
• 強い磁場を用いて超伝導性を抑制し、低温での正規状態に到達すること。
• $S/T$ および $R_{\text{H}}$ の符号変化とフェルミ面再構築の発生を関連付ける。
• 既存のX線回折（XRD）データと比較することで、電子的再構築とCDW調制との関連を付与する。
• 温度-ドーピング相図の分析により、CDW秩序が消滅する臨界ドーピング $p_{\text{CDW}}$ を特定する。
• 高磁場におけるホールおよびサーベックデータを用いて、正規状態において $p = 0.15$ 以上ではCDW秩序が存在しないことを推論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ において、CDW秩序に起因するフェルミ面再構築はどのドーピングで開始されるか？
• RQ2 LSCOの磁場誘発正規状態において、CDW秩序が消滅する臨界ドーピング $p_{\text{CDW}}$ は何か？
• RQ3 LSCOにおけるCDW相境界は、擬似ギャップ臨界ドーピング $p^*$ とどのように関係しているか？
• RQ4 観測されたLSCOにおけるフェルミ面再構築は、XRDによって確認されたCDW秩序に起因していると特定できるか？
• RQ5 $p = 0.15$ でのCDW秩序の終了は、擬似ギャップ相がCDW形成によって駆動されていないことを示唆するか？

主な発見

• ドーピング $x = 0.11$, $0.12$, $0.125$, $0.13$ の範囲で、低温においてサーベック係数 $S/T$ が負値を示し、正規状態におけるフェルミ面再構築を示している。
• 同様のドーピング範囲でホール係数 $R_{\text{H}}$ も負値を示しており、フェルミ面再構築に起因する電子的パッチの存在を確認している。
• フェルミ面再構築はドーピング範囲 $0.085 < p < 0.15$ に限定され、$p = 0.15$ 以上では再構築の証拠は見当たらない。
• CDW秩序の発生臨界ドーピングは、フェルミ面再構築の消失と一致するとして、$p_{\text{CDW}} = 0.15 \pm 0.005$ と特定された。
• LSCOにおける擬似ギャップ相は $p^* \simeq 0.19$ まで延びており、これは $p_{\text{CDW}}$ よりも顕著に高い。これは、擬似ギャップがCDW秩序によって引き起こされていないことを示唆している。
• 本結果により、CDW秩序はLSCOおよび他の銅酸化物において、擬似ギャップ相の二次的不安定性であることが確認された。