[论文解读] Effect of pseudogap on electronic anisotropy in the strain dependence of the superconducting $T_c$ of underdoped YBa$_2$Cu$_3$O$_y$

Mehdi Frachet, Daniel Campbell+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2021

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

一句话总结

本研究揭示，在欠掺杂YBa₂Cu₃Oᵧ中，电子各向异性通过Tc的应变依赖性（dTc/dϵ₂₂ − dTc/dϵ₁₁）量化，尽管晶格正交度降低，但在中等空穴掺杂（p ≈ 0.11–0.14）区域表现出非单调增强。通过超声测量与理论建模，作者将此增强归因于赝能隙势，该势随系统接近莫特绝缘体态而增大，表明应变可调控赝能隙并可能增强Tc。

ABSTRACT

For orthorhombic superconductors we define thermodynamic anisotropy $N \equiv d T_c/d \epsilon_{22} - dT_c/d \epsilon_{11}$ as the difference in how superconducting $T_c$ varies with strains $\epsilon_{ii}$, $i=(1, 2)$, along the in-plane directions. We study the hole doping ($p$) dependence of $N$ on detwinned single crystals of underdoped YBa$_2$Cu$_3$O$_y$ (YBCO) using ultrasound technique. While the structural orthorhombicity of YBCO reduces monotonically with decreasing doping over $0.065 <p<0.16$, we find that the thermodynamic anisotropy shows an intriguing enhancement at intermediate doping level, which is of electronic origin. Our theoretical analysis shows that the enhancement of the electronic anisotropy can be related to the pseudogap potential in the electronic specturm that itself increases when the Mott insulating state is approached. Our results imply that the pseudogap is controlled by a local energy scale that can be tuned by varying the nearest neighbor Cu-Cu bond length. Our work opens the possibility to strain engineer the pseudogap potential to enhance the superconducting \Tc.

研究动机与目标

• 研究欠掺杂YBa₂Cu₃Oᵧ中非单调面内电子各向异性的起源。
• 确定Tc应变依赖性中观察到的各向异性是否源于电子效应或结构效应。
• 将赝能隙势与超导转变温度中电子各向异性的出现联系起来。
• 探讨通过应变工程调控赝能隙以增强Tc的可能性。

提出的方法

• 通过爱因斯坦关系测量Tc处声速跃迁，以提取dTc/dϵii，实现零静态应变下应变依赖性的测量。
• 使用一系列空穴掺杂范围（0.065 < p < 0.16）的取向单晶YBCO，以分离本征各向异性。
• 将热力学各向异性定义为N ≡ dTc/dϵ₂₂ − dTc/dϵ₁₁，以量化Tc对方向性应变的敏感性。
• 使用具有掺杂依赖赝能隙势P₀(p) = Pg(1 − p/0.2)的t-J类哈密顿量进行理论建模。
• 通过磁化率χpp及其温度导数计算热力学各向异性N(p)，并引入应变与序参量的耦合。
• 通过数值动量求和计算a₀ = −(∂χpp/∂T)T=T₀c和λ₂ = −1/2(∂²χpp/∂η²)η=0，以建模N(p)随掺杂浓度的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何热力学各向异性N(p)在中等掺杂（p ≈ 0.11–0.14）区域增强，尽管晶格正交度随掺杂降低而单调减小？
• RQ2 欠掺杂YBCO中N(p)非单调行为的微观起源是什么？
• RQ3 赝能隙势如何影响Tc的应变依赖性与电子各向异性？
• RQ4 赝能隙势是否可通过应变调控，其对Tc增强有何影响？

主要发现

• 热力学各向异性N(p)表现出非单调掺杂依赖性，在p ≈ 0.11处达到峰值，尽管晶格正交度随掺杂降低而单调减小。
• 中等掺杂区域N(p)的增强归因于与赝能隙势相关的电子起源，该势随系统趋近莫特绝缘体态而增大。
• 理论建模证实，当赝能隙势设为零时，N(p)的非单调行为消失，证明其关键作用。
• 发现赝能隙势可通过应变调控，在节点区尤其显著，预测在单轴应变下间隙结构将发生显著变化。
• 模型预测应变可在节点区诱导明显的能隙打开，该现象可通过角分辨光电子能谱或电子拉曼光谱进行检验。
• 在高掺杂区域（p > 0.14）观察到的N(p)增加归因于CuO链贡献，而当前的双带平面模型未包含此效应。