[论文解读] Anisotropic dressing of charge-carriers in the electron-doped cuprate superconductor Sm(1.85)Ce(0.15)CuO(4) from angle-resolved photoemission measurements

A. F. Santander-Syro, Takeshi Kondo+9 more|ArXiv.org|Mar 19, 2009

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究利用角分辨光电子能谱（ARPES）揭示了电子掺杂铜氧化物Sm1.85Ce0.15CuO4中各向异性的多体相互作用，表明在布里渊区对角线方向，散射率随结合能线性增加至500 meV，而在布里渊区边缘方向则在200 meV以上趋于饱和，表明电子与强色散激发的动量依赖性耦合。这种各向异性表明不同动量区域存在不同的电子-玻色子耦合机制，对理解铜氧化物中的超导性具有重要意义。

ABSTRACT

Angle-resolved photoemission measurements on the electron-doped cuprate Sm(1.85)Ce(0.15)CuO(4) evidence anisotropic dressing of charge-carriers due to many-body interactions. Most significantly, the scattering rate along the zone boundary saturates for binding energies larger than ~200 meV, while along the diagonal direction it increases nearly linearly with the binding energy in the energy range ~150-500 meV. These results indicate that many-body interactions along the diagonal direction are strong down to the bottom of the band, while along the zone-bounday they become very weak at energies above ~200 meV.

研究动机与目标

• 研究电子掺杂铜氧化物中动量依赖的多体相互作用，特别是最优掺杂的Sm1.85Ce0.15CuO4。
• 解析布里渊区不同动量方向电子散射率的各向异性。
• 澄清电子-玻色子耦合机制在电子掺杂体系中布里渊区对角线与边缘区域是否存在显著差异。
• 将电子掺杂铜氧化物中观测到的散射率行为与空穴掺杂对应体系进行比较，尤其关注kink结构和能量依赖的自能行为。

提出的方法

• 在同步辐射中心和瑞士光源使用55 eV光子进行角分辨光电子能谱测量，能量分辨率分别为30 meV和20 meV。
• 在超高压环境（<6×10⁻¹¹ Torr）下于11 K进行原位样品解理，确保高质量表面条件以实现精确测量。
• 通过谱数据提取准粒子色散关系及沿布里渊区边缘（ZE）和对角线（D）方向的能量依赖散射率（1/τ）。
• 采用单带紧束缚模型拟合费米面和高能带结构，以提取能带参数并确认不存在反铁磁折叠。
• 从谱线形中提取自能分量，利用虚部Σ''确定散射率1/τ。
• 通过三个独立制备的单晶样品验证数据，确保可重复性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在电子掺杂铜氧化物Sm1.85Ce0.15CuO4中，电子散射率（1/τ）的动量依赖性在布里渊区不同区域如何变化？
• RQ2 沿布里渊区对角线和边缘方向，散射率的能量依赖性如何？其揭示了何种电子-玻色子耦合本质？
• RQ3 为何在布里渊区边缘方向，散射率在约200 meV以上趋于饱和，而在对角线方向仍持续线性增加？
• RQ4 电子掺杂铜氧化物中这些各向异性的多体效应与空穴掺杂铜氧化物相比如何，尤其在kink结构和自能行为方面？
• RQ5 观测到的散射率中能量尺度（约70 meV和约150 meV）的物理起源是什么？其与红外光谱和隧道谱等其他探测手段的关系如何？

主要发现

• 在布里渊区对角线方向，散射率从约150至500 meV随结合能近似线性增加，表明电子-玻色子耦合在能带底部仍保持强烈且能量依赖。
• 在布里渊区边缘方向，结合能高于约200 meV后散射率趋于饱和，表明该能量以上存在弱或能量无关的散射机制。
• 在对角线方向观测到约150 meV处的kink结构，而在布里渊区边缘方向则出现约70 meV处的kink结构，与耦合至玻色子模式一致。
• 在布里渊区边缘方向，高于200 meV的自能为能量无关，导致洛伦兹型谱线形，EDC线宽与1/τ一致，得到验证。
• 观测到的散射率各向异性表明电子与强色散激发存在动量依赖性耦合，对角线方向耦合更强，边缘方向耦合更弱。
• 结果表明，电子-玻色子耦合机制可能在电子掺杂和空穴掺杂铜氧化物中均存在，但电子掺杂体系中布里渊区边缘的物理行为与空穴掺杂体系显著不同。