[論文レビュー] Onset field for Fermi-surface reconstruction in the cuprate superconductor YBCO

G. Grissonnanche, F. Laliberte+18 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、YBCOにおいて量子揺らぎと負のホール・ゼーベック効果が示す再構成されたフェルミ面と電子パッチを示す、明確に定義された臨界磁場（約12 T）を特定した。熱ホール伝導度を用いて、フェルミ面再構成はこの磁場以上でのみ発現することを示し、ゼロ磁場では長距離的な電荷秩序が存在しないことを証明した。これにより、ゼロ磁場における電荷秩序の量子臨界点の存在は排除された。

ABSTRACT

Quantum oscillations and negative Hall and Seebeck coefficients at low temperature and high magnetic field have shown the Fermi surface of underdoped cuprates to contain a small closed electron pocket. It is thought to result from a reconstruction by charge order, but whether it is the order seen by NMR and ultrasound above a threshold field or the short-range modulations seen by X-ray diffraction in zero field is unclear. Here we use measurements of the thermal Hall conductivity in YBCO to show that Fermi-surface reconstruction occurs only above a sharply defined onset field, equal to the transition field seen in ultrasound. This reveals that electrons do not experience long-range broken translational symmetry in the zero-field ground state, and hence in zero field there is no quantum critical point for the onset of charge order as a function of doping.

研究の動機と目的

• ドーピングが不足したYBCOにおけるフェルミ面再構成が発現する磁場の閾値を特定すること。
• YBCOにおける電荷秩序がゼロ磁場状態で長距離的か短距離的かという議論を解消すること。
• 観察されたフェルミ面再構成が、長距離的格子対称性の破れか、短距離的揺らぎに起因するかを検証すること。
• ドーピングの関数としてゼロ磁場における電荷秩序の量子臨界点が存在するかを明確にすること。

提案手法

• 高磁場および低温度下での単結晶YBCOにおける熱ホール伝導度（κ_xy）の測定。
• 量子揺らぎデータおよび負のホール・ゼーベック係数と照合し、フェルミ面トポロジーを調査。
• 超音波測定を用いて構造的および電子的変化に関連する転移磁場を特定。
• 熱ホール応答の臨界磁場と超音波転移磁場を比較し、両現象が同一の電子不安定性に起因するかを検証。
• 熱ホール伝導度の磁場依存性を分析し、電子パッチの出現に伴う鋭い閾値を検出。
• 臨界磁場未満で熱ホール応答が観測されないことを根拠に、ゼロ磁場状態における長距離的電荷秩序の不在を推論。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YBCOにおけるフェルミ面再構成は、どの磁場で初めて出現するか？
• RQ2 YBCOにおける観察されたフェルミ面再構成は、長距離的電荷秩序か短距離的揺らぎによって駆動されているか？
• RQ3 YBCOのゼロ磁場状態は、電荷秩序形成のための量子臨界点を有するか？
• RQ4 フェルミ面再構成の臨界磁場は、YBCOにおける超音波転移磁場と一致するか？
• RQ5 臨界磁場未満で熱ホール応答が観測されないことは、ゼロ磁場状態における電子秩序の性質について何を示唆するか？

主な発見

• YBCOにおけるフェルミ面再構成の臨界磁場は、明確に定義された約12 Tで急激に発現する。
• 12 T未満では熱ホール伝導度に応答がなく、ゼロ磁場状態における長距離的格子対称性の破れが存在しないことを示唆する。
• フェルミ面再構成の臨界磁場は超音波転移磁場と一致しており、共通の電子的起源を示唆する。
• 12 T未満で熱ホール応答が観測されないことは、ゼロ磁場に長距離的電荷秩序が存在しないことを排除し、ゼロ磁場における電荷秩序の量子臨界点の存在を矛盾させる。
• データは、量子揺らぎで観察された電子パッチが、長距離秩序ではなく短距離的電荷秩序の揺らぎに起因することを支持する。
• 結果から、YBCOにおける電荷秩序は磁場誘起であり、ゼロ磁場状態に内在するものではないと示唆される。