[论文解读] Infrared Hall effect in underdoped and optimally doped LSCO

Lingyun Shi, D. C. Schmadel+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2005

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究通过在8 T磁场和30–300 K温度下进行磁光测量，调查了欠掺杂和最佳掺杂的La2-xSrxCuO4（LSCO）薄膜的红外霍尔效应。掺杂依赖的霍尔角可用德鲁德模型良好描述，显示随着空穴掺杂减少，霍尔频率显著增加，作者将其归因于强关联电子系统中的顶点修正，而非通过密度波态引起的费米面重构。

ABSTRACT

We report a study of magneto-optical properties in the mid-infrared region of a series of La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ samples with hole doping level ranging from severely underdoped ($x=0.03$)to optimally doped ($x=0.15$). The Faraday rotation and circular dichroism are measured in a magnetic field of 8 Tesla and in a temperature range between 30K and 300K. The doping and temperature dependence of infrared Hall angle is found to be understood within a simple Drude model. A significant increase of Hall frequency is observed when the hole doping level is reduced from optimal doping, which is compared with models of the pseudogap.

研究动机与目标

• 研究欠掺杂和最佳掺杂LSCO薄膜在中红外区域的磁光响应。
• 确定观测到的霍尔角掺杂依赖性是否反映赝能隙或关联效应引起的费米面重构。
• 通过使用无CuO链的清洁体系，解决欠掺杂铜氧化物中霍尔频率增强的起源争议。
• 检验德鲁德模型是否能充分描述强关联、欠掺杂铜氧化物中的霍尔响应。
• 区分密度波诱导的费米面重构与光学霍尔响应中的顶点修正效应。

提出的方法

• 在约1087 cm⁻¹频率下，利用CO2激光在8 T磁场中测量法拉第旋转和圆二色性。
• 采用ZnSe光弹性调制器实现对复法拉第角的高精度检测。
• 使用德鲁德模型分析霍尔角θH(ω)：θH(ω) = ωH / (γH - iω)，其中ωH为霍尔频率，γH为霍尔散射率。
• 将θH的实部和虚部随温度的变化拟合至德鲁德表达式，其中γH(T) = a + bT²，以提取ωH(T)。
• 将观测到的霍尔频率增加与包含顶点修正的涨落交换模型的理论预测进行比较。
• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）和输运数据，评估结果与费米面重构情景的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 欠掺杂LSCO的红外霍尔角如何随掺杂和温度变化？
• RQ2 德鲁德模型能否定量描述欠掺杂铜氧化物中的磁光响应？
• RQ3 随着欠掺杂，霍尔频率的增加是否表明通过密度波态引起的费米面重构？
• RQ4 电子关联效应（如顶点修正）在解释增强的霍尔频率中起什么作用？
• RQ5 LSCO中σxx和σxy谱中无能隙的存在如何影响霍尔响应的解释？

主要发现

• LSCO中霍尔角的温度和掺杂依赖性可用简单的德鲁德模型良好描述，其中γH(T) = a + bT²。
• 随着空穴掺杂减少，霍尔频率ωH显著增加，从x = 0.03时的1.25 cm⁻¹降低至更高掺杂时的较低值。
• 在所有掺杂水平下均观察到ωH的微弱温度依赖性，其中在x = 0.03时增加最为显著。
• 随着欠掺杂，ωH的增加与费米面体积减少的简单模型不一致，但与强关联系统中的顶点修正一致。
• 纵向和横向电导率谱中无能隙的存在排除了密度波能隙作为霍尔响应增强的起源。
• 结果支持顶点修正在涨落交换模型中解释增强的霍尔频率，而非费米面重构。