[论文解读] Direct observation of multiple spin zeroes in the underdoped high temperature superconductor YBa2Cu3O6+x

Suchitra E. Sebastian, N. Harrison+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2011

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用 5

一句话总结

本研究在高达85 T、磁場方向為71°的高場條件下，直接觀測到欠 doping 的 YBa₂Cu₃O₆₊ₓ 中兩個明確的自旋零點，從而對主要費米面口袋的重整化 g 因子 $g^{*}$ 提供緊密約束，範圍為1.6至1.9。結果排除了 $g^{*}$ 的強烈抑制，並顯示 g 因子在面內與面外方向之間存在各向異性，其中分裂效應在費米面結構中主導於彎曲效應。

ABSTRACT

We report the direct observation of multiple `spin zeroes' in angle-dependent magnetic quantum oscillations measured up to 85T in YBa2Cu3O6+x, at which the amplitude falls to a deep minimum accompanied by a phase inversion of the measured quantum oscillations, enabling the product of the effective mass and effective g-factor m*g* to be tightly constrained. We find an evolution of the location of the spin zeros with applied magnetic field, and suggest that this effect and the absence of a spin zero at low angles can be produced by more than one Fermi surface component, and an effective g-factor with a subtle anisotropy between in-plane and out-of-plane crystalline directions.

研究动机与目标

• 透過直接觀測量子振盪中的自旋零點，解決長期以來關於欠 doping 高 Tc 超導體中費米面性質的模糊之處。
• 透過檢測多個自旋零點，明確確定重整化 g 因子 $g^{*}$，克服先前研究受限於低角度的限制。
• 透過約束 $g^{*}$ 和探測費米面各向異性，區分競爭性的序參數（例如自旋密度波、d-密度波）。
• 研究費米面分裂與彎曲效應在解釋角度與場依賴性量子振盪行為中的角色。
• 利用高場、高精度角度測量，測試面內與面外方向之間 g 因子各向異性的假設。

提出的方法

• 在磁場高達85 T的條件下，使用可旋轉樣品架（角度解析度小於0.2°）執行角度依賴的量子振盪測量。
• 採用非接觸式電導率技術，同時旋轉樣品與鄰近探測線圈，以測量0° ≤ θ ≤ 71°範圍內的振盪。
• 使用燴餅形投影線圈準確測定 $B\cos\theta$（磁場沿 c 軸的分量），從而實現精確的場投影。
• 採用最小兩組分費米面模型，包含分裂參數 ($\Delta F_{{\rm s},i}$) 和彎曲參數 ($\Delta F_{{\rm w},i}$)，以擬合完整的角度與場強範圍。
• 使用表達式 $a = \sum_i a_i R_{{\rm s},i} R_T \exp(-\Gamma_i / B\cos\theta) J_0(2\pi \Delta F_{{\rm w},i}/B\cos\theta) \cos(2\pi \Delta F_{{\rm s},i}/B\cos\theta) \cos(2\pi F_i / B\cos\theta - \pi)$ 擬合振盪振幅，並整合塞曼分裂與阻尼效應。
• 透過 $g^{*} = g^{*}_z \sqrt{\cos^2\theta + \frac{1}{\xi}\sin^2\theta}$ 探討 g 因子各向異性，其中 $\xi \approx 1.4$ 能良好擬合數據。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高磁場與高角度條件下，是否可於欠 doping 的 YBa₂Cu₃O₆₊ₓ 中實驗觀測到多個自旋零點？
• RQ2 主要費米面口袋的重整化 g 因子 $g^{*}$ 值為何？其是否可獨立於費米面拓撲假設而明確確定？
• RQ3 在約16°處未觀測到低角度自旋零點，是否表示 g 因子被抑制？抑或可由 g 因子各向異性解釋？
• RQ4 自旋零點位置的觀測角度依賴性，最可能由費米面分裂還是彎曲效應解釋？
• RQ5 面內與面外方向之間 g 因子各向異性在多大程度上影響量子振盪的相位與振幅？

主要发现

• 在約53°–57°與16°–20°的角度下，於量子振盪中觀測到兩個明確的自旋零點，對應於 $2n+1 = 5$ 和 $2n+1 = 3$。
• 主要費米面組分的重整化 g 因子 $g^{*}$ 被緊密約束於1.6至1.9之間，且獨立於費米面拓撲結構。
• 觀測到的 $g^{*}$ 值排除了某些自旋密度波模型所預測的未重整化 $g_{\rm s}$ 因子的強烈抑制。
• 數據最符合由分裂效應主導的費米面（$\Delta F_{{\rm s},\alpha} = 6$ T，$\Delta F_{{\rm s},\gamma} = 90$ T），而彎曲效應可忽略（$\Delta F_{{\rm w},i0} \approx 0$）。
• 由 $g^{*} = g^{*}_z \sqrt{\cos^2\theta + \frac{1}{\xi}\sin^2\theta}$（其中 $\xi \approx 1.4(1)$）描述的 g 因子各向異性，可解釋低角度自旋零點的缺失，並良好擬合相位與振幅數據。
• 在大角度時（$\theta \gtrapprox 60^\circ$）觀測到約30%的振幅抑制，主要由多個費米面組分的貢獻所解釋，而非傳統阻尼效應。