[论文解读] Critical Doping for the Onset of Fermi-Surface Reconstruction by Charge-Density-Wave Order in the Cuprate Superconductor La$ _{2-x} $Sr$_{x} $CuO$ _{4}$

S. Badoux, S. Afshar+12 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Dec 1, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 16

一句话总结

本研究通过在La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$中进行高场塞贝克系数与霍尔系数测量，证明了由于电荷密度波（CDW）序引起的费米面重构仅在空穴掺杂量 $p < 0.15$ 时发生，CDW序在 $p_{\text{CDW}} = 0.15 \pm 0.005$ 处终止，远低于赝能隙临界掺杂量 $p^* \simeq 0.19$。结果表明，CDW序是铜氧化物中赝能隙相的次级不稳定态。

ABSTRACT

The Seebeck coefficient $S$ of the cuprate superconductor La$ _{2-x} $Sr$_{x} $CuO$ _{4}$ (LSCO) was measured in magnetic fields large enough to access the normal state at low temperatures, for a range of Sr concentrations from $x = 0.07$ to $x = 0.15$. For $x = 0.11$, 0.12, 0.125 and 0.13, $S/T$ decreases upon cooling to become negative at low temperatures. The same behavior is observed in the Hall coefficient $R_{H}(T)$. In analogy with other hole-doped cuprates at similar hole concentrations $p$, the negative $S$ and $R_{H}$ show that the Fermi surface of LSCO undergoes a reconstruction caused by the onset of charge-density-wave modulations. Such modulations have indeed been detected in LSCO by X-ray diffraction in precisely the same doping range. Our data show that in LSCO this Fermi-surface reconstruction is confined to $0.085 &lt; p &lt; 0.15$. We argue that in the field-induced normal state of LSCO, charge-density-wave order ends at a critical doping $p_{ m CDW} = 0.15 \pm 0.005$, well below the pseudogap critical doping $p^\star \simeq 0.19$.

研究动机与目标

• 确定在铜氧化物超导体La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$中，电荷密度波（CDW）序引起费米面重构的掺杂范围。
• 确定在场致正常态中CDW序消失的临界掺杂量 $p_{\text{CDW}}$。
• 阐明在欠掺杂铜氧化物中，CDW序、费米面重构与赝能隙相之间的关系。
• 通过与YBCO、Eu-LSCO和Hg1201的对比，检验CDW驱动费米面重构的普适性。

提出的方法

• 在单晶LSCO中，对 $x = 0.07$ 至 $0.15$ 的范围进行高场、低温下的塞贝克系数 $S(T)$ 和霍尔系数 $R_{\text{H}}(T)$ 测量。
• 施加强磁场以抑制超导性，从而在低温下探测正常态。
• 将 $S/T$ 和 $R_{\text{H}}$ 的符号变化与费米面重构的开始相关联。
• 将塞贝克与霍尔数据与现有LSCO中CDW序的X射线衍射（XRD）数据进行对比，以建立电子重构与CDW调制之间的联系。
• 分析温度-掺杂相图，以确定CDW序消失的临界掺杂量 $p_{\text{CDW}}$。
• 利用高场霍尔与塞贝克数据推断，在正常态中 $p > 0.15$ 时不存在CDW序。

实验结果

研究问题

• RQ1 在La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$中，由于CDW序引起的费米面重构在何种掺杂量下开始？
• RQ2 在LSCO的场致正常态中，CDW序消失的临界掺杂量 $p_{\text{CDW}}$ 是多少？
• RQ3 在LSCO中，CDW相边界如何与赝能隙临界掺杂量 $p^*$ 相关联？
• RQ4 在LSCO中观察到的费米面重构是否由CDW序引起，是否得到XRD结果的证实？
• RQ5 CDW序在 $p = 0.15$ 处终止是否意味着赝能隙相并非由CDW形成驱动？

主要发现

• 在低温度下，对于 $x = 0.11$、$0.12$、$0.125$ 和 $0.13$，塞贝克系数 $S/T$ 变为负值，表明在正常态中发生了费米面重构。
• 在同一掺杂范围内，霍尔系数 $R_{\text{H}}$ 同样为负值，证实了由于费米面重构而存在电子型准粒子口袋。
• 费米面重构局限于掺杂范围 $0.085 < p < 0.15$，在 $p = 0.15$ 以上无重构的证据。
• 基于费米面重构的消失以及与XRD数据的一致性，确定CDW序的起始临界掺杂量为 $p_{\text{CDW}} = 0.15 \pm 0.005$。
• LSCO中的赝能隙相延伸至 $p^* \simeq 0.19$，显著高于 $p_{\text{CDW}}$，表明赝能隙并非由CDW序引起。
• 结果证实，在LSCO及其他铜氧化物中，CDW序是赝能隙相的次级不稳定态，而非其起源。