[論文レビュー] Origin of the metal-to-insulator crossover in cuprate superconductors

F. Laliberté, Wojciech Tabiś+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2016

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 6被引用数 30

ひとこと要約

本論文は、ギャップ臨界ドーピング p* よりも高い領域で n = 1 + p であるキャリア密度が、p* 以下で n = p に低下することで、銅酸化物超伝導体における金属-絶縁体転移が生じることを特定した。LSCO および YBCO における高磁場抵抗率およびホール測定により、1 Cu 原子あたり 1 ホールのキャリア密度低下が確認され、複数の銅酸化物系で観察された低温抵抗率上昇が定量的に説明された。

ABSTRACT

Superconductivity in cuprates peaks in the doping regime between a metal at high p and an insulator at low p. Understanding how the material evolves from metal to insulator is a fundamental and open question. Early studies in high magnetic fields revealed that below some critical doping an insulator-like upturn appears in the resistivity of cuprates at low temperature, but its origin has remained a puzzle. Here we propose that this 'metal-to-insulator crossover' is due to a drop in carrier density n associated with the onset of the pseudogap phase at a critical doping p*. We use high-field resistivity measurements on LSCO to show that the upturns are quantitatively consistent with a drop from n=1+p above p* to n=p below p*, in agreement with high-field Hall data in YBCO. We demonstrate how previously reported upturns in the resistivity of LSCO, YBCO and Nd-LSCO are explained by the same universal mechanism: a drop in carrier density by 1.0 hole per Cu atom.

研究の動機と目的

• 銅酸化物超伝導体における金属-絶縁体転移の長年の謎を解明すること。これは、臨界ドーピング未満の低温で抵抗率が上昇する現象として観察される。
• 抵抗率上昇の微視的起源を特定すること。特に、キャリア密度の変化か、他の電子的不安定性に起因するかを特定する。
• 擬似ギャップ相がキャリア密度の低下を引き起こし、低ドーピングで絶縁的挙動を生じることを仮説する。
• LSCO、YBCO、Nd-LSCO を含む、異なる銅酸化物系における抵抗率上昇を統一的に説明するメカニズムを確立すること。
• 高磁場抵抗率およびホール測定データを統合的に解析し、擬似ギャップ遷移に伴うキャリア密度の進化を統一的モデルで説明すること。

提案手法

• 低温抵抗率挙動を調べるために、ドーピングレベルを変化させた La2-xSrxCuO4 (LSCO) 単結晶に対して高磁場抵抗率測定を実施した。
• YBCO におけるホール係数測定を用いて、低ドーピング領域でのキャリア密度低下を独立に検証し、相関を確認した。
• 擬似ギャップ相が出現する臨界ドーピング p* 以上と未満の抵抗率データを比較し、キャリア密度の不連続的低下を特定した。
• 理論的モデルとして、p* よりも高い領域では n = 1 + p、p* よりも低い領域では n = p と仮定し、観測された抵抗率上昇を定量的に一致させた。
• LSCO、YBCO、Nd-LSCO における抵抗率上昇の一貫性を、同一のキャリア密度低下メカニズムに基づいて評価した。
• 補足データおよび図を用いて、複数の実験系にわたるキャリア密度低下の堅牢性を裏付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーピング未満の銅酸化物超伝導体において、低温で抵抗率が上昇するのは何が原因か。特に、臨界ドーピング未満の領域で。
• RQ2 金属-絶縁体転移は、キャリア密度の変化に起因するのか、それとも他の電子的相関に起因するのか。
• RQ3 擬似ギャップ相の発現が、銅酸化物におけるキャリア密度の測定可能な低下を引き起こすのか。
• RQ4 同一のキャリア密度低下（1 Cu 原子あたり 1 ホール）が、LSCO、YBCO、Nd-LSCO といった異なる銅酸化物系で抵抗率上昇を説明できるか。
• RQ5 高磁場抵抗率測定とホール測定が、擬似ギャップ領域におけるキャリア密度の進化をどのように制約するか。

主な発見

• ドーピング未満の銅酸化物超伝導体における抵抗率上昇は、p* よりも高い領域で n = 1 + p であるキャリア密度が、p* よりも低い領域で n = p に低下することで定量的に説明された。これは、1 Cu 原子あたり 1 ホールの喪失に相当する。
• LSCO における高磁場抵抗率測定は、このキャリア密度低下に基づく予測抵抗率挙動と良好に一致した。
• YBCO におけるホール測定により、低ドーピング領域でも同様のキャリア密度低下が確認され、このメカニズムの普遍性が裏付けられた。
• 同一の 1 Cu 原子あたり 1 ホールのキャリア密度低下が、LSCO、YBCO、Nd-LSCO における抵抗率上昇を説明でき、普遍的なメカニズムであることが示された。
• 擬似ギャップ相が金属-絶縁体転移の主因であると特定され、その発現が p* に達した時点で、低キャリア密度状態への遷移を示した。
• 本研究により、擬似ギャップ遷移における電子的構造の根本的変化を直接抵抗率上昇に関連づけることで、銅酸化物物理学における長年の謎が解けた。