[论文解读] Dichotomy in the $T$-linear resistivity in hole-doped cuprates

N. E. Hussey, Rachel Cooper+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2009

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 18被引用 15

一句话总结

本研究揭示了空穴掺杂铜氧化物中 $T$-线性电阻率的二象性，识别出两种截然不同的 $T$-线性贡献：低温区的贡献与 $T_c$ 成比例，与超导配对机制相关；高温区的贡献在掺杂浓度超过 $p_{\text{crit}} \approx 0.19$ 后呈现掺杂无关性。临界掺杂浓度 $p_{\text{crit}}$ 标志着反节点准粒子退相干导致赝能隙形成的开始，这一发现挑战了传统的量子临界性情景，表明退相干——而非竞争序——是赝能隙形成的主驱动因素。

ABSTRACT

From analysis of the in-plane resistivity $ρ_{ab}(T)$ of La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$, we show that normal state transport in overdoped cuprates can be delineated into two regimes in which the electrical resistivity varies approximately linearly with temperature. In the low temperature limit, the $T$-linear resistivity extends over a very wide doping range, in marked contrast to expectations from conventional quantum critical scenarios. The coefficient of this $T$-linear resistivity scales with the superconducting transition temperature $T_c$, implying that the interaction causing this anomalous scattering is also associated with the superconducting pairing mechanism. At high temperatures, the coefficient of the $T$-linear resistivity is essentially doping independent beyond a critical doping $p_{ m crit}$ = 0.19 at which the ratio of the two coefficients is maximal. Taking our cue from earlier thermodynamic and photoemission measurements, we conclude that the opening of the normal state pseudogap at $p_{ m crit}$ is driven by the loss of coherence of anti-nodal quasiparticles at low temperatures.

研究动机与目标

• 解决空穴掺杂铜氧化物正常态中长期存在的 $T$-线性电阻率之谜。
• 确定 $T$-线性电阻率是由单一量子临界机制还是多个不同的散射过程引起。
• 研究 $p_{\text{crit}} \approx 0.19$ 在定义电子行为基本转变中的作用，特别是赝能隙形成的起始点。
• 阐明过掺杂铜氧化物中超导配对、准粒子相干性与电阻率异常之间的关系。
• 通过识别赝能隙的非临界、退相干驱动起源，挑战现有的量子临界情景。

提出的方法

• 在宽掺杂范围（$x = 0.15$ 至 $0.33$）内，利用持久场和脉冲高磁场测量了高质量单晶 La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ 的面内电阻率 $\rho_{ab}(T)$。
• 通过分析 $\rho_{ab}(T)$ 的温度导数，分离出低温区与高温区的独立 $T$-线性贡献。
• 将 $T$-线性电阻率系数与 $T_c$ 及掺杂浓度相关联，以评估标度行为并识别临界掺杂浓度。
• 利用电阻率系数的掺杂依赖性推断出两种不同的散射机制：一种与超导配对相关，另一种与准粒子退相干相关。
• 整合先前的角分辨光电子能谱（ARPES）、热力学与输运数据，以定位两个 $T$-线性项的起源。
• 提出一个统一图像：同一相互作用同时驱动超导与退相干，且在 $p_{\text{crit}} \approx 0.19$ 处实现最大超流密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在过掺杂铜氧化物的正常态中，是否存在两种不同的 $T$-线性电阻率贡献？它们的起源是否不同？
• RQ2 电阻率系数如何随掺杂浓度变化？是否与 $T_c$ 成标度关系？
• RQ3 临界掺杂浓度 $p_{\text{crit}} \approx 0.19$ 在赝能隙与准粒子相干性方面的物理意义是什么？
• RQ4 在 $p_{\text{crit}}$ 以上，高温区的 $T$-线性电阻率项是否呈现掺杂无关性？这对其背后散射机制有何含义？
• RQ5 赝能隙是由于竞争序还是由于强电子-电子相互作用驱动的准粒子退相干而形成？

主要发现

• 识别出两种不同的 $T$-线性电阻率贡献：低温区的贡献单调地随 $T_c$ 变化，与超导配对机制相关。
• 在 $p_{\text{crit}} \approx 0.19$ 以上，高温区的 $T$-线性电阻率系数呈现掺杂无关性，表明其散射起源与超导性无关。
• 临界掺杂浓度 $p_{\text{crit}} \approx 0.19$ 标志着反节点准粒子退相干的开始，该退相干与温度成正比，并在所有有限温度下发生。
• 最大超流密度与凝聚能出现在 $p_{\text{crit}} \approx 0.19$ 处，与 $T$-线性电阻率系数峰值及赝能隙能标消失同时发生。
• 驱动超导的相互作用同时破坏了准粒子相干性，表明同一相互作用虽促进配对，但最终在 $p_{\text{crit}}$ 以下抑制了凝聚态。
• 赝能隙很可能是通过使非相干反节点态发生能隙化以降低基态能量而形成的，其中退相干——而非竞争序——是过掺杂区赝能隙态的主要驱动力。