[论文解读] Fermi Surface of the Electron-doped Cuprate Superconductor Nd_{2-x}Ce_xCuO_{4} Probed by High-Field Magnetotransport

M. V. Kartsovnı̆k, T. Helm+11 more|Apr 6, 2011

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 5

一句话总结

本研究利用高场磁电输运测量探测了电子掺杂Nd₂₋ₓCeₓCuO₄的费米面，发现在x ≈ 0.17之前出现由磁质心破裂引起的快速舒布尼克ov-de Haas（SdH）振荡，此为超导消失前的最高掺杂浓度。结果提供了直接证据，表明在过掺杂区中存在重构的、多重连通的费米面，且超晶格势能减弱并可能在与超导性相同的掺杂水平下完全消失，暗示了晶格平动对称性破缺与超导配对之间存在深层关联。

ABSTRACT

We report on the study of the Fermi surface of the electron-doped cuprate superconductor Nd$_{2-x}$Ce$_x$CuO$_{4}$ by measuring the interlayer magnetoresistance as a function of the strength and orientation of the applied magnetic field. We performed experiments in both steady and pulsed magnetic fields on high-quality single crystals with Ce concentrations of $x=0.13$ to 0.17. In the overdoped regime of $x > 0.15$ we found both semiclassical angle-dependent magnetoresistance oscillations (AMRO) and Shubnikov-de Haas (SdH) oscillations. The combined AMRO and SdH data clearly show that the appearance of fast SdH oscillations in strongly overdoped samples is caused by magnetic breakdown. This observation provides clear evidence for a reconstructed multiply-connected Fermi surface up to the very end of the overdoped regime at $x\simeq 0.17$. The strength of the superlattice potential responsible for the reconstructed Fermi surface is found to decrease with increasing doping level and likely vanishes at the same carrier concentration as superconductivity, suggesting a close relation between translational symmetry breaking and superconducting pairing. A detailed analysis of the high-resolution SdH data allowed us to determine the effective cyclotron mass and Dingle temperature, as well as to estimate the magnetic breakdown field in the overdoped regime.

研究动机与目标

• 解决电子掺杂铜氧化物中费米面的性质，特别是超导性被抑制的过掺杂区中的行为。
• 确定在高掺杂水平下，费米面是否仍通过超晶格势能实现重构。
• 研究在Nd₂₋ₓCeₓCuO₄中，通过超晶格势能体现的平动对称性破缺与超导配对之间的关系。
• 表征磁质心破裂与回旋有效质量随Ce掺杂增加的演化行为。
• 澄清过掺杂铜氧化物中量子振荡数据与ARPES/能带结构预测之间的矛盾之处。

提出的方法

• 在高质量Nd₂₋ₓCeₓCuO₄单晶（x = 0.13–0.17）上进行了高精度层间磁阻测量，涵盖稳态场（最高45 T）和脉冲磁场。
• 通过分析角度依赖磁阻振荡（AMRO）和舒布尼克ov-de Haas（SdH）振荡，提取费米面几何形状与有效质量。
• 通过高掺杂下快速SdH振荡的存在识别磁质心破裂，表明存在环绕重构费米面口袋的大闭合轨道。
• 利用标准Lifshitz-Kosevich分析方法，从高分辨率SdH数据中提取Dingle温度与有效回旋质量。
• 通过快速振荡的振幅与频率估算磁质心破裂场与超晶格势能强度。
• 结合AMRO与SdH数据分析，证实了在x ≈ 0.17范围内存在多重连通费米面。

实验结果

研究问题

• RQ1 在过掺杂Nd₂₋ₓCeₓCuO₄中，费米面是否在可达到的最高掺杂水平下仍通过超晶格势能实现重构？
• RQ2 超晶格势能衰减与电子掺杂铜氧化物中超导性终止之间存在何种关系？
• RQ3 磁质心破裂如何在过掺杂NCCO的高场磁电输运响应中体现，其对费米面拓扑结构有何揭示？
• RQ4 在过掺杂NCCO的高场输运中是否可探测到电子口袋，若可探测，其条件为何？
• RQ5 为何SdH振荡在x < 0.15时消失，其原因是否源于费米面重构的消失或轨道磁阻效应的抑制？

主要发现

• 在x = 0.17处观测到频率F_fast ≈ 11 kT的快速SdH振荡，表明存在与布里渊区角上中心的圆柱形费米面一致的大闭合回旋轨道。
• 在x = 0.17处快速SdH振荡的存在归因于磁质心破裂，证实了在超导区结束前，费米面仍保持重构且多重连通。
• 估算的超晶格势能强度在x = 0.16时为Δ ≈ 14 meV，在x = 0.17时为Δ ≈ 5 meV，随掺杂浓度增加而减小，且可能在超导性终止的载流子浓度（x ≈ 0.175）处完全消失。
• 通过SdH振荡分析确定了有效回旋质量，同时提取了Dingle温度，表明在过掺杂区存在中等程度的电子散射。
• 通过快速振荡的振幅估算磁质心破裂场，支持了在过掺杂区存在大闭合轨道的结论。
• 结果表明，通过超晶格势能体现的平动对称性破缺与超导配对之间存在密切关联，二者在相似掺杂水平下同时消失。