[论文解读] Arc-to-pocket transition and quantitative understanding of transport properties in cuprate superconductors

Wojciech Tabiś, Petar Popčević+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 26被引用 5

一句话总结

本研究在中等掺杂的 HgBa₂CuO₄+δ 中进行了平面磁电输运测量，揭示了在强磁场下从弧状费米面残余物到重构电子态口袋的定量转变。研究识别出在正常态和重构态中，Umklapp 散射是准粒子散射的主要机制，为铜氧化物相图中的输运行为提供了统一的理解。

ABSTRACT

Despite immense efforts, the cuprate Fermi surface (FS) has been unambiguously determined in only two distinct, low-temperature regions of the phase diagram: a large hole-like FS at high doping, and a small electron-like pocket associated with charge-density-wave driven FS reconstruction at moderate doping. Moreover, there exists incomplete understanding of the reconstructed state, which is stabilized by high magnetic fields, and its connection with the normal state that consists of arc-like remnants of the large underlying FS. Part of the problem is that compound-specific idiosyncrasies, such as disorder effects and low structural symmetry, can obscure the fundamental properties of the quintessential CuO$_2$ planes. Here we present planar magnetotransport measurements for moderately-doped HgBa$_2$CuO$_{4+δ}$ that enable a quantitative understanding of the phase transition between the normal and reconstructed states and of the charge transport in the latter, and that demonstrate that the quasiparticle scattering rate in both states is due to Umklapp scattering. Building on prior insights, we furthermore arrive at a comprehensive understanding of the evolution of the planar transport properties throughout the entire cuprate phase diagram.

研究动机与目标

• 通过确定中等掺杂下重构态的性质，解决铜氧化物费米面长期存在的模糊性。
• 阐明正常态（弧状费米面）与高磁场下重构态（电子态口袋）之间的联系。
• 量化相变过程中的输运特性，并确定两种状态下占主导地位的散射机制。
• 在铜氧化物相图中提供一个统一的平面输运描述，最大限度减少化合物特异性杂质和低对称性的影响。

提出的方法

• 在低温和高磁场下对单晶 HgBa₂CuO₄+δ 进行平面磁电输运测量。
• 通过分析量子振荡和磁阻数据，提取费米面拓扑结构和有效质量。
• 应用 Umklapp 散射模型，解释电阻率随温度和磁场变化的观测行为。
• 比较正常态（弧）和重构态（口袋）中的输运行为，识别普遍的散射机制。
• 利用高场磁电输运稳定并探测重构态，从而实现与正常态的直接比较。
• 利用 HgBa₂CuO₄+δ 的高对称性和低杂质水平，将本征平面输运物理与外部效应分离。

实验结果

研究问题

• RQ1 在铜氧化物中，从弧状费米面残余物到重构电子态口袋的费米面转变性质是什么？
• RQ2 在 HgBa₂CuO₄+δ 中，输运特性如何在弧-口袋转变过程中演化？
• RQ3 在铜氧化物体系的正常态和重构态中，占主导地位的准粒子散射机制是什么？
• RQ4 重构态中的输运行为在多大程度上能通过 Umklapp 散射进行定量描述？
• RQ5 HgBa₂CuO₄+δ 中的平面输运如何为铜氧化物相图提供统一的理解？

主要发现

• 通过高场平面磁电输运，对从弧状费米面残余物到重构电子态口袋的转变进行了定量表征。
• 在正常态（弧）和重构态（口袋）中，准粒子散射率均由 Umklapp 过程主导，表明存在普遍的散射机制。
• 重构态中准粒子的有效质量与小电子态口袋一致，证实了电荷密度波驱动的费米面重构。
• 观测到的磁阻和量子振荡数据支持相变过程中输运行为的统一图像，未发现杂质诱导散射占主导的证据。
• 重构态中的输运行为可由 Umklapp 散射定量解释，无需引入额外的散射机制。
• 结果为整个铜氧化物相图中的平面输运提供了一个统一框架，尤其弥合了正常态与重构态之间的鸿沟。