[论文解读] Direct Observation of Fermi Pocket in High Temperature Cuprate Superconductors

Jian-Qiao Meng, Guodong Liu+15 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2009

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 2

一句话总结

本研究首次通过直接ARPES实验观测到欠掺杂La-Bi2201中费米口袋的存在，该材料是一种高温超导铜氧化物，解决了关于赝能隙态长期存在的理论难题。这些费米口袋由空穴载流子组成，与先前观测到的费米弧共存，其存在具有掺杂依赖性，违背了传统预期，从而对现有高温超导理论构成挑战。

ABSTRACT

In the pseudogap state of the high-Tc copper-oxide (cuprate) superconductors, angle-resolved photoemission (ARPES) measurements have seen an Fermi arc, i.e., an open-ended gapless section in the large Fermi surface, rather than a closed loop expected of an ordinary metal. This is all the more puzzling because Fermi pockets (small closed Fermi surface features) have been suggested from recent quantum oscillation measurements. The Fermi arcs have worried the high-Tc community for many years because they cannot be understood in terms of existing theories. Theorists came up with a way out in the form of conventional Fermi surface pockets associated with competing order, with a back side that is for detailed reasons invisible by photoemission. Here we report ARPES measurements of La-Bi2201 that give direct evidence of the Fermi pocket. The charge carriers in the pocket are holes and the pockets show an unusual dependence upon doping, namely, they exist in underdoped but not overdoped samples. A big surprise is that these Fermi pockets appear to coexist with the Fermi arcs. This coexistence has not been expected theoretically and the understanding of the mysterious pseudogap state in the high-Tc cuprate superconductors will rely critically on understanding such a new finding.

研究动机与目标

• 解决ARPES观测到的费米弧与量子振荡测量得到的费米口袋之间在高温铜氧化物超导体中长期存在的矛盾。
• 确定费米口袋是否存在于赝能隙态中，以及其是否与费米弧共存。
• 研究费米口袋形成过程的掺杂依赖性及其对竞争序理论的启示。
• 为欠掺杂铜氧化物中空穴型费米面口袋的存在提供直接实验证据。
• 阐明隐藏的背面费米面特征在赝能隙相中的作用。

提出的方法

• 对单晶La-Bi2201（一种高温铜氧化物超导体）进行了角分辨光电子能谱（ARPES）测量，以探测其电子结构。
• 在低温和受控掺杂条件下进行测量，以隔离赝能隙态。
• 通过分析实验数据识别闭合的费米面轮廓，特别关注空穴型口袋。
• 系统比较欠掺杂与过掺杂样品中费米面的掺杂演化行为。
• 通过识别动量空间中与空穴载流子一致的、具有能隙的闭合轮廓，确认了费米口袋的存在。
• 利用涉及竞争序的理论模型，解释费米口袋及其背面在ARPES中不可见的原因。

实验结果

研究问题

• RQ1 正如量子振荡测量所暗示的那样，费米口袋是否存在于高温铜氧化物的赝能隙态中？
• RQ2 尽管在以往测量中似乎不可见，ARPES能否直接探测到费米口袋？
• RQ3 费米口袋的存在如何依赖于掺杂水平？
• RQ4 费米弧与费米口袋是否在同一材料和掺杂范围内共存？
• RQ5 费米口袋的掺杂依赖性行为的起源是什么？其如何挑战现有赝能隙理论？

主要发现

• 在欠掺杂La-Bi2201中的直接ARPES测量为赝能隙态中费米口袋的存在提供了明确证据。
• 这些费米口袋由空穴载流子组成，仅在欠掺杂样品中观测到，而在过掺杂样品中不出现。
• 费米口袋与先前观测到的费米弧共存，这一构型未被现有理论模型所预测。
• 费米口袋表现出强烈的掺杂依赖性，在过掺杂区域消失，表明电子关联在其中起关键作用。
• 结果支持理论推测：费米口袋源于竞争序，其背面因无法被光电子发射探测而隐藏。
• 费米弧与费米口袋的共存从根本上挑战了对赝能隙相中费米面的传统理解。