[论文解读] Fermi surface arcs and the infrared conductivity of underdoped YBa$_{2}$Cu$_{3}$O$_{6.50}$

Jungseek Hwang, Jules Carbotte+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2008

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种在欠掺杂YBa₂Cu₃O₆.₅₀中具有温度依赖性赝隙形成的费米面弧模型，其中无能隙弧的长度与归一化温度t = T/T*呈线性比例关系。该模型引入了赝隙能隙Δpg之上的电子态恢复区域，增强了光学散射率，并解释了观测到的红外电导率特征。关键结果表明，与不包含该模型的对比，该弧-恢复模型能更好地拟合光学数据，且与中子散射数据中磁共振峰的一致性更优。

ABSTRACT

We reanalyze the data on the in-plane far infrared conductivity of underdoped orthoII YBa$_{2}$Cu$_{3}$O$_{6.50}$ (YBCO$_{6.50}$) in terms of a model in which a pseudogap opens on part of the Fermi surface with the remaining ungaped piece proportional to the temperature. The motivation for our model comes from recent angle-resolved photoemission spectroscopy data in underdoped Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+δ}$ (Bi-2212), which have revealed the existence of arcs on the Fermi surface. We find the optical data to be consistent with arc formation. In addition we find some evidence that the electronic states lost below the pseudogap energy $Δ_{pg}$ are recovered in the energy region immediately above it at least for temperatures near $T_c$.

研究动机与目标

• 解释欠掺杂正交相-II YBa₂Cu₃O₆.₅₀中面内远红外电导率异常的温度演化行为。
• 通过将赝隙的微观起源与ARPES观测到的费米面弧联系起来，解决铜氧化物中赝隙起源的争议。
• 检验电子态是否从赝隙能隙Δpg以下区域恢复至其正上方区域，从而解释观测到的光学散射率特征。
• 通过引入温度依赖的费米面弧模型并保持态守恒，相比此前无恢复的模型，提升光学数据的拟合效果。

提出的方法

• 构建了一个现象学模型，其中费米面在反节点区域被能隙化，而在节点弧区域保持无能隙，且弧长与归一化温度t = T/T*成正比。
• 电子态密度（DOS）在Δpg以下按ω的二次函数建模，并在Δpg至2Δpg范围内增强，以实现态守恒，其中恢复区域包含所有缺失的态。
• 利用电子-玻色子谱函数I²χ(ω)计算光学散射率τ⁻¹(ω)，其中包含一个31 meV的磁共振峰及背景，与中子散射数据一致。
• 采用最小二乘法拟合多温度下的实验光学电导率数据，调整背景振幅与共振峰面积。
• 将该模型与此前排除恢复区域的拟合结果进行比较，表明其在光学与中子数据之间具有更优的一致性。
• 采用Kramers-Kronig分析将光学自能Σ¹(ω)与散射率关联，揭示出类似对数结构，表明存在弧与恢复效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在欠掺杂YBCO 6.50中，费米面弧的形成是否能解释红外电导率异常的温度演化？
• RQ2 观测到的赝隙能隙以上光学散射率增强，是否可归因于电子态恢复至Δpg正上方区域？
• RQ3 在DOS模型中引入恢复区域，相较于无恢复的模型，如何提升对光学数据的拟合效果？
• RQ4 光学中磁共振峰面积的温度依赖性在多大程度上与非弹性中子散射测量结果一致？
• RQ5 该弧模型能否解释欠掺杂铜氧化物中观测到的光学自能Σ¹(ω)实部特有的‘帽子状’峰结构？

主要发现

• 光学散射率数据在赝隙能隙正上方能量区域显示出明显的增强，该现象最合理地由电子态恢复至Δpg以上区域所解释。
• 包含费米面弧与态恢复的模型，相比此前无恢复的模型，能显著更好地拟合实验光学电导率数据。
• 当包含恢复区域时，电子-玻色子谱函数中31 meV磁共振峰面积的温度依赖性与中子散射数据的匹配度更高。
• 恢复区域对散射率的贡献在低温下最强，并在T = T*时完全消失，与赝隙关闭行为一致。
• 该弧模型能够解释在赝隙以上低频区域观测到的散射率曲线聚集现象，而此前无恢复的拟合中该特征缺失。
• 在散射率主上升区域正上方的区域，拟合质量显著改善，该区域正是恢复区域效应最显著的位置。