[论文解读] Lifshitz critical point in the cuprate superconductor YBa2Cu3Oy from high-field Hall effect measurements

David LeBoeuf, N. Doiron-Leyraud+15 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2010

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 15

一句话总结

本研究在欠掺杂YBa₂Cu₃Oᵧ中识别出在空穴掺杂量 $p_{\rm L} = 0.08$ 处发生自旋能级转变，此时费米面上的电子口袋消失，导致低温电导率急剧下降，电阻率显著上升。高场霍尔效应测量显示，在 $p_{\rm L}$ 以下，霍尔系数符号由负变正，表明费米面拓扑从电子型转变为穴型，这一变化由条纹序或自旋密度波重构驱动。

ABSTRACT

The Hall coefficient R_H of the cuprate superconductor YBa2Cu3Oy was measured in magnetic fields up to 60 T for a hole concentration p from 0.078 to 0.152, in the underdoped regime. In fields large enough to suppress superconductivity, R_H(T) is seen to go from positive at high temperature to negative at low temperature, for p > 0.08. This change of sign is attributed to the emergence of an electron pocket in the Fermi surface at low temperature. At p < 0.08, the normal-state R_H(T) remains positive at all temperatures, increasing monotonically as T o 0. We attribute the change of behaviour across p = 0.08 to a Lifshitz transition, namely a change in Fermi-surface topology occurring at a critical concentration p_L = 0.08, where the electron pocket vanishes. The loss of the high-mobility electron pocket across p_L coincides with a ten-fold drop in the conductivity at low temperature, revealed in measurements of the electrical resistivity $ρ$ at high fields, showing that the so-called metal-insulator crossover of cuprates is in fact driven by a Lifshitz transition. It also coincides with a jump in the in-plane anisotropy of $ρ$, showing that without its electron pocket the Fermi surface must have strong two-fold in-plane anisotropy. These findings are consistent with a Fermi-surface reconstruction caused by a unidirectional spin-density wave or stripe order.

研究动机与目标

• 在高磁场下研究欠掺杂YBa₂Cu₃Oᵧ中霍尔系数的掺杂与温度依赖性，以探测费米面拓扑结构。
• 通过分析低温输运性质的变化，确定铜氧化物中金属-绝缘体转变的起源。
• 确定Lifshitz转变发生的临界掺杂量 $p_{\rm L}$，该点标志着费米面拓扑结构的改变。
• 将电子口袋的消失与平面内电阻率各向异性的增强及低温下电阻率的提升联系起来。
• 检验假设：费米面由条纹序或自旋密度波序引起的重构，是导致观测到的输运异常的原因。

提出的方法

• 在YBa₂Cu₃Oᵧ单晶上进行高达60 T的高场霍尔效应测量，以抑制超导性并探测正常态。
• 在欠掺杂区，对从0.078到0.152的空穴掺杂量 $p$，测量了霍尔系数 $R_{\rm H}(T)$。
• 当 $p > 0.08$ 时，低温下 $R_{\rm H}$ 从负到正的符号变化被解释为电子口袋出现并随后消失的证据。
• 在高场下测量了电导率 $\rho$，以评估电导率演化并识别金属-绝缘体转变。
• 分析平面内各向异性 $\rho_a / \rho_b$，以检测在 $p_{\rm L}$ 以下费米面的对称性破缺效应。
• 将数据与通过条纹序或自旋密度波序引起费米面重构的理论模型进行比较，以解释观测到的Lifshitz转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 YBa₂Cu₃Oᵧ中费米面拓扑结构在何种掺杂量下发生Lifshitz转变？
• RQ2 在欠掺杂YBCO的正常态中，霍尔系数 $R_{\rm H}$ 如何随温度和掺杂量演化？
• RQ3 电子口袋的消失与观测到的电阻率金属-绝缘体转变之间有何关联？
• RQ4 在临界掺杂量 $p_{\rm L}$ 处，平面内电阻率各向异性是否增强？这对费米面对称性有何含义？
• RQ5 观测到的Lifshitz转变是否与由条纹序或自旋密度波序引起的费米面重构一致？

主要发现

• 在临界掺杂量 $p_{\rm L} = 0.08$ 处发生Lifshitz转变，YBa₂Cu₃Oᵧ中费米面拓扑结构从电子型转变为穴型。
• 当 $p > 0.08$ 时，低温下霍尔系数 $R_{\rm H}$ 为负，表明在布里渊区 $(\pi,0)$ 点附近存在高迁移率的电子口袋。
• 在 $p_{\rm L} = 0.08$ 以下，$R_{\rm H}$ 变为正值并随温度单调趋近于零，表明电子口袋已消失。
• 电子口袋的消失与低温电导率下降十倍相一致，表现为电阻率 $\rho$ 显著上升。
• 在 $p_{\rm L}$ 以下，平面内电阻率各向异性 $\rho_a / \rho_b$ 显著增加，表明费米面出现强烈的二重对称性破缺。
• 观测到的 $T_c$ 抑制与 $T_0$（费米面重构的标志）的掺杂依赖性呈直接相关，且在 $p = 1/8$ 处达到峰值，支持条纹序在驱动Lifshitz转变中起关键作用。