[论文解读] Charge carriers of different origin in cuprates as revealed by experiment

L. P. Gor’kov, G. B. Teǐtel'Baum|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2006

Particle accelerators and beam dynamics被引用 3

一句话总结

该论文通过实验表明，在较高掺杂浓度和高温下，铜氧化物中的载流子数量超过外部掺杂浓度 $x$，表明存在动态自旋和电荷涨落。结合霍尔系数测量与角分辨光电子能谱（ARPES）数据，发现靠近范霍夫奇点的热激发载流子导致载流子密度随温度变化，暗示铜自旋并非局域化，且赝能隙区涉及金属相与反铁磁相共存。

ABSTRACT

The Hall coefficient data for cuprates show that number of carriers exceeds external doping $x$ at higher $x$ and varies with temperature. Hence, spins on the Cu-sites are not conserved. Activation energy for thermally excited carriers equals the energy between the Fermi surface "arc" and the band bottom near the van Hove singularities. Crossover from marginal Fermi liquid- to pseudogap- regime happens at temperatures at which number of activated carriers gets comparable with the number of externally doped holes. Implications for the $(T,x)$-phase diagram of cuprates are discussed.

研究动机与目标

• 确定铜氧化物中的载流子数量是否等于外部掺杂空穴浓度 $x$。
• 研究赝能隙区与边缘费米液体区中载流子的起源及其温度依赖性。
• 评估铜 $d^{9}$-空穴构型的稳定性以及自旋自由度在载流子动力学中的作用。
• 协调霍尔系数数据与ARPES测量结果，理解载流子激发的能量尺度。
• 阐明 $T^*$ 交叉转变的本质及其与铜氧化物中相共存的关系。

提出的方法

• 分析 La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ 在不同掺杂水平 $x$ 下、高达 1000 K 的高温霍尔系数数据。
• 将霍尔载流子浓度 $n_{\text{Hall}}$ 拟合为指数形式 $n_{\text{Hall}} = n_0(x) + n_1(x) \exp(-\Delta(x)/T)$，其中 $\Delta(x)$ 为激活能。
• 将提取出的激活能 $\Delta(x)$ 与 ARPES 数据中关于范霍夫奇点附近费米面弧及能带结构的结果进行比较。
• 将 $n_0(x)$ 和 $n_1(x)$ 与 $x \sim 0.2$ 处费米面的拓扑变化 onset 相关联。
• 利用 NMR 与中子散射数据支持赝能隙区中反铁磁相与金属相共存的存在。
• 将低掺杂下的温度无关电阻率解释为热激发载流子形成散射中心的标志，其激活能与霍尔响应一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 铜氧化物中的载流子数量是否超过外部掺杂空穴浓度 $x$？
• RQ2 温度依赖的霍尔载流子浓度的起源是什么，其与电子结构有何关联？
• RQ3 激活能 $\Delta(x)$ 与载流子密度 $n_{\text{Hall}}$ 如何随掺杂浓度与温度变化？
• RQ4 铜自旋动力学在载流子生成中起何作用？在赝能隙区自旋局域化是否被破坏？
• RQ5 所观测到的载流子动力学如何与 $T^*$ 交叉转变及金属相与反铁磁相的共存相关？

主要发现

• 在较高 $x$ 和高温下，霍尔载流子浓度 $n_{\text{Hall}}$ 超过外部掺杂量 $x$，表明存在额外的热激发载流子。
• 从霍尔数据提取的激活能 $\Delta(x)$ 与范霍夫奇点附近费米面弧与能带底部的能量差一致。
• 在 $x \sim 0.2$ 处观察到激活能 $\Delta(x)$ 的平台，与费米面从空穴型向电子型的拓扑变化相吻合。
• $n_0(x)$ 的 $x$-依赖性以及 $n_1(x)$ 在 $x \sim 0.2$ 处的下降，表明该掺杂水平存在量子临界点（QCP）。
• 低掺杂下温度无关的电阻率源于热激发载流子形成散射中心，其激活能与霍尔响应相同。
• 数据支持赝能隙区中金属相（MFL 类似）与反铁磁相（ICAF）的动态共存，后者在低温下趋于静态。