[论文解读] Evidence for a universal Fermi-liquid scattering rate throughout the phase diagram of the copper-oxide superconductors

N. Barišić, M. K. Chan+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用 10

一句话总结

本研究通过HgBa2CuO4+δ中的霍尔角测量，为铜氧化物超导体整个相图中存在普遍费米液体散射率提供了证据。在最佳掺杂以下，散射率保持与温度的平方关系且与掺杂浓度无关，表明尽管存在复杂的赝能隙和奇异金属相，仍存在普遍的输运机制。

ABSTRACT

The phase diagram of the cuprate superconductors continues to pose formidable scientific challenges. While these materials are typically viewed as doped Mott insulators, it is well known that they are Fermi liquids at high hole-dopant concentrations. It was recently demonstrated that at moderate doping, in the pseudogap region of the phase diagram, the charge carriers are also best described as Fermi liquid. Nevertheless, the relationship between the two Fermi-liquid regions and the nature of the strange-metal state at intermediate doping have remained unsolved. Here we show in the case of the model cuprate superconductor HgBa2CuO4+δ that the scattering rate measured by the cotangent of the Hall angle remains quadratic in temperature across the pseudogap temperature, upon entering the strange-metal state, and that it is doping-independent below optimal doping. Analysis of the published results for other cuprates reveals that this behavior is universal throughout the entire phase diagram and points to a pervasive Fermi-liquid transport scattering rate. We argue that these observations can be reconciled with other data upon considering the possibility that the pseudogap phenomenon signifies the completion of the gradual, non-uniform localization of one hole per planar CuO2 unit upon cooling.

研究动机与目标

• 确定费米液体散射率是否在整个铜氧化物超导体相图中保持普遍性。
• 解决长期以来关于欠掺杂赝能隙区费米液体行为如何与奇异金属态及过掺杂费米液体区相连的问题。
• 通过提出一种与掺杂浓度和温度无关的散射率，统一描述输运数据，以调和相互矛盾的解释。
• 研究赝能隙相是否反映了冷却过程中每个CuO2单元逐渐局域化一个空穴，与普遍输运标度一致。

提出的方法

• 测量了单晶HgBa2CuO4+δ中霍尔角正切值随温度和掺杂浓度的变化。
• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）和输运数据，从霍尔角的温度依赖性中提取散射率。
• 分析了散射率的温度依赖性，特别关注其与T的平方关系行为。
• 将分析扩展至其他铜氧化物的已发表数据，以检验在不同材料和掺杂水平下的普遍性。
• 提出一个理论框架，其中赝能隙反映了冷却过程中每个平面CuO2单元非均匀、渐进局域化的完成。

实验结果

研究问题

• RQ1 铜氧化物超导体整个相图中费米液体散射率是否具有普遍性？
• RQ2 散射率在赝能隙、奇异金属和费米液体区之间如何演化？
• RQ3 散射率的观测到的与温度平方关系的行为能否由单一基本机制解释？
• RQ4 从电子局域化角度出发，赝能隙态的物理起源是什么？
• RQ5 散射率的掺杂依赖性与载流子局域化有何关系？

主要发现

• 从霍尔角正切值推导出的散射率，在HgBa2CuO4+δ的赝能隙区、奇异金属态和过掺杂费米液体区均表现出与温度的平方关系。
• 在最佳掺杂以下，散射率与掺杂浓度无关，表明在欠掺杂和最佳掺杂区域存在普遍的输运散射率。
• 对多种铜氧化物已发表数据的分析证实，这种与温度平方关系且与掺杂无关的行为在整个相图中具有普遍性。
• 结果支持一种情景：赝能隙态对应于冷却过程中每个平面CuO2单元非均匀、渐进局域化的完成。
• 观测到的普遍散射率调和了不同铜氧化物家族和掺杂区域之间看似矛盾的输运数据。
• 研究结果表明，即使在强电子关联和赝能隙存在的条件下，费米液体输运行为在整个相图中依然持续。