[论文解读] Coexisting pseudo-gap and superconducting gap in the high-Tc superconductor La2-xSrxCuO4

T. Yoshida, Walid Malaeb+13 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2012

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 3

一句话总结

本研究利用角分辨光电子能谱（ARPES）证明，在欠掺杂La2-xSrxCuO4（x=0.10, 0.14）中，纯d波超导能隙与更大的赝能隙共存于反节点区域，且超导能隙峰位于赝能隙之上。d波能隙参数Δ₀几乎与掺杂浓度无关（~12–14 meV），表明两个能隙具有不同的起源，支持高温超导铜氧化物中的双能隙图像。

ABSTRACT

Relationship between the superconducting gap and the pseudogap has been the subject of controversies. In order to clarify this issue, we have studied the superconducting gap and pseudogap of the high-Tc superconductor La2-xSrxCuO4 (x=0.10, 0.14) by angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). Through the analysis of the ARPES spectra above and below Tc, we have identified a superconducting coherence peak even in the anti-nodal region on top of the pseudogap of a larger energy scale. The superconducting peak energy nearly follows the pure d-wave form. The d-wave order parameter Δ_0 [defined by Δ(k)=Δ_0(cos(kxa)-cos(kya)) ] for x=0.10 and 0.14 are nearly the same, Δ_0 ~ 12-14 meV, leading to strong coupling 2Δ_0/kB Tc ~ 10. The present result indicates that the pseudogap and the superconducting gap are distinct phenomena and can be described by the "two-gap" scenario.

研究动机与目标

• 阐明高温铜氧化物中赝能隙与超导能隙的关系，特别是La2-xSrxCuO4中的关系。
• 确定赝能隙与超导能隙是独立现象还是单一能隙结构的一部分。
• 利用高分辨率ARPES研究能隙在动量空间和温度依赖性上的行为。
• 检验单层铜氧化物中双能隙图像的有效性，并与Bi2212等双层体系进行对比。

提出的方法

• 在同步辐射（SSRL）和紫外激光（ISSP）光源下，对高质量单晶La2-xSrxCuO4（x=0.10, 0.14）进行了角分辨光电子能谱（ARPES）测量。
• 在超导转变温度以下（T < Tc）和以上（T > Tc）获取谱图，以分离超导特征。
• 通过能量分辨率卷积与费米-狄拉克函数对谱图进行归一化，以增强谱峰可见性。
• 分析谱线形貌，以识别反节点区域的超导相干峰。
• 比较不同掺杂水平下赝能隙与超导能隙的能量尺度和温度演化行为。
• 采用缩放分析方法，利用2Δ = 4.3kB T，将能隙行为与理论模型及其他铜氧化物进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在欠掺杂La2-xSrxCuO4的反节点区域，赝能隙与超导能隙是否共存？
• RQ2 反节点区域的超导能隙是否符合纯d波对称性？
• RQ3 在欠掺杂区域，超导能隙参数Δ₀如何随掺杂浓度变化？
• RQ4 为何在单层铜氧化物中能分辨出两个独立的能量尺度（赝能隙与超导能隙），而在Bi2212等双层铜氧化物中却无法分辨？
• RQ5 赝能隙的起源是什么？其在能量尺度和温度依赖性上与超导能隙有何不同？

主要发现

• 在Tc以下的La2-xSrxCuO4（x=0.10, 0.14）反节点区域，即使在已存在的赝能隙之上，仍可清晰识别出超导相干峰。
• 超导能隙表现出接近纯d波的形式，且序参量Δ₀ ≈ 12–14 meV，适用于x=0.10与x=0.14，表明在欠掺杂区域其与掺杂浓度几乎无关。
• 赝能隙的能量尺度大于超导能隙，且在Tc以上仍持续存在，表明其与超导性为不同现象。
• 双能隙图像得到支持，因为超导能隙在Tc以下于已存在的赝能隙内打开，这与YRZ经验模型一致。
• Bi2212中未分辨出两个独立能量尺度，归因于Tc与T*（赝能隙起始温度）相近，而单层铜氧化物中则表现为Tc ≪ T*。
• 反节点区域的赝能隙可能与二维电荷序或密度波态有关，这由扫描隧道显微镜和ARPES中观察到的粒子-空穴不对称性及费米弧抑制现象所支持。