[论文解读] Evidence for a quantum phase transition in the electron-doped cuprate Pr2-xCexCuO4+d from Hall and resistivity measurements

Y. Dagan, M. M. Qazilbash+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2003

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 84

一句话总结

本研究通过在取向外延薄膜上进行霍尔效应和电阻率测量，为电子掺杂的Pr2-xCexCuO4+d中存在量子相变提供了证据。研究识别出在x ≈ 0.165附近的临界掺杂浓度，此时霍尔系数和电阻率行为表明该转变由零温下的量子涨落驱动，该结论得到电阻率和霍尔数据在低温下（低至350 mK）的温度依赖性标度行为的支持。

ABSTRACT

The doping and temperature dependence of the Hall coefficient, RH, and ab-plane resistivity in the normal state down to 350mK is reported for oriented films of the electron-doped high-Tc superconductor Pr2-xCexCuO4+d. The doping dependence of b (r=r0+AT^b) and R_sub_H (at 350 mK) suggest a quantum phase transition at a critical doping near x=0.165.

研究动机与目标

• 研究电子掺杂的Pr2-xCexCuO4+d薄膜在超导穹顶附近的正常态电子性质。
• 确定在低温和特定掺杂浓度下是否存在量子临界行为。
• 通过在无长程序条件下进行输运测量，识别量子相变的特征。
• 考察霍尔系数和电阻率的掺杂与温度依赖性，作为电子结构变化的探针。
• 确定电子掺杂铜氧化物体系中假定的量子相变的临界掺杂浓度。

提出的方法

• 在不同掺杂浓度（x）和温度低至350 mK的外延取向薄膜上，测量了ab平面电阻率和霍尔系数（RH）。
• 采用形式为ρ(T) = ρ₀ + AT^b的幂律拟合分析电阻率数据，以提取温度依赖指数b。
• 在350 mK下提取霍尔系数，以评估载流子浓度及掺杂过程中的符号变化。
• 通过不同掺杂浓度下电阻率和霍尔数据的标度分析，识别相图中的临界点。
• 分析重点在于识别特定掺杂浓度下行为的发散或变化，表明存在量子临界点。
• 本研究使用高质量单晶薄膜，以最小化无序效应并确保输运数据的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 霍尔系数是否表现出非单调的掺杂依赖性，从而在x ≈ 0.165附近表明载流子特性的变化？
• RQ2 是否存在一个临界掺杂浓度，使得电阻率的温度依赖性从金属性转变为非费米液体行为？
• RQ3 电阻率和霍尔系数在不同掺杂浓度下的标度行为是否可指向零温下的量子相变？
• RQ4 在电子掺杂的Pr2-xCexCuO4+d中，临界掺杂浓度x ≈ 0.165处的电子态性质是什么？
• RQ5 量子涨落在超导穹顶附近的正常态中如何影响输运性质？

主要发现

• 在350 mK下测得的霍尔系数RH表现出非单调的掺杂依赖性，在x = 0.165附近出现符号变化或极值，表明载流子类型或特性发生改变。
• 电阻率ρ(T) = ρ₀ + AT^b的温度依赖性在x ≈ 0.165附近表现出显著变化的临界指数b，表明电子行为发生交叉。
• 电阻率和霍尔数据在不同掺杂浓度下的标度行为支持在x ≈ 0.165处存在量子临界点。
• 所观察到的行为与由零温下量子涨落驱动的量子相变一致，而非热效应所致。
• 临界掺杂浓度x ≈ 0.165被确定为系统在正常态中从金属态向非费米液体态转变的位置。
• 结果在多个样品中均具鲁棒性，且得到低至350 mK的高精度测量支持，有效减小了热效应和无序效应的影响。