[论文解读] Link between magnetism and resistivity upturn in cuprates: a thermal conductivity study of La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$

Patrick Bourgeois-Hope, S. Y. Li+9 more|Bristol Research (University of Bristol)|Oct 17, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 5

一句话总结

本研究通过在La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$中将热导率测量至50 mK，建立了自旋密度波（SDW）序与欠掺杂铜氧化物中电阻率上升之间的直接联系。结果表明，电子热导率 $\kappa_0/T$ 在高磁场下降低，与SDW序的出现同步，从而通过Wiedemann-Franz定律解释了电阻率上升现象，确认SDW序是 $p^\star$ 以下的关键机制。

ABSTRACT

A key unexplained feature of cuprate superconductors is the upturn in their normal state electrical resistivity $ρ(T)$ seen at low temperature inside the pseudogap phase. We examined this issue via measurements of the thermal conductivity $κ(T)$ down to 50 mK and in fields up to 17 T on the cuprate La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ at dopings $p = 0.13$, 0.136, 0.143 and 0.18. At $p$ = 0.136, 0.143, and 0.18, we observe an initial increase of the electronic thermal conductivity $κ_0/T$ as a function of field, as expected in a $d$-wave superconductor. For $p$ = 0.136 and 0.143, further increasing the field then leads to a decrease of $κ_0/T$, which correlates with the onset of spin density-wave order as observed in neutron scattering experiments on the same samples. This decrease of $κ_0/T$ with field is imposed by the Wiedemann-Franz law and the high value of the resistivity in the high-field normal state of these samples. Our study therefore provides a direct link between magnetism and the resistivity upturn in the pseudogap phase of cuprates. We discuss this scenario in the broader context of other cuprates.

研究动机与目标

• 研究欠掺杂铜氧化物赝能隙相中电阻率上升的起源，特别是在超导性缺失的情况下。
• 确定磁序，特别是自旋密度波（SDW）序，是否是低温下观测到的电阻率上升的原因。
• 检验电阻率上升并非仅由赝能隙相中载流子密度减少引起，而是需要额外与磁性相关的机制。
• 利用热导率作为电阻率的代理，将其磁场和掺杂依赖性与中子衍射确定的SDW序起始点进行关联。
• 建立SDW序临界磁场阈值与LSCO正常态中电阻率上升起始点之间的定量联系。

提出的方法

• 在掺杂浓度 $p = 0.13$、$0.136$、$0.143$ 和 $0.18$ 的La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$单晶样品中，将电子热导率 $\kappa(T)$ 测量至50 mK。
• 施加最高达17 T的磁场以抑制超导性，从而进入正常态，使能在磁场诱导的正常态中研究电阻率行为。
• 利用Wiedemann-Franz定律从 $\kappa_0/T$ 推断电阻率 $\rho(T)$，假设在正常态中洛伦兹比成立。
• 将 $\kappa_0/T$ 的磁场演化行为与中子散射测量的SDW序起始点进行比较，以 $H_{\rm SDW}$ 作为参考阈值。
• 将 $\kappa_0/T$ 的磁场诱导降低与SDW序的出现以及 $T \to 0$ 极限下的电阻率上升相关联。
• 利用Zn掺杂样品和μ子自旋弛豫数据进行交叉验证，确认低温磁性及电阻率上升的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 在欠掺杂La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$的磁场诱导正常态中，自旋密度波（SDW）序的出现是否与电阻率上升的出现同步？
• RQ2 铜氧化物赝能隙相中的电阻率上升是否仅由载流子密度减少引起，还是需要额外机制（如磁散射）？
• RQ3 赝能隙相结束的临界掺杂浓度 $p^\star$ 与SDW序出现的掺杂浓度之间有何关系？
• RQ4 热导率 $\kappa_0/T$ 的磁场依赖性如何反映正常态中的电阻率行为，特别是在 $T \to 0$ 极限下？
• RQ5 在LSCO中，磁性与电阻率上升之间的关联是否在不同抑制机制（磁场与Zn掺杂）下均保持稳健？

主要发现

• 在掺杂浓度 $p = 0.136$、$0.143$ 和 $0.18$ 下，电子热导率 $\kappa_0/T$ 初始随磁场增加而上升，符合 $d$-波超导体的预期。
• 对于 $p = 0.136$ 和 $0.143$，进一步增加磁场导致 $\kappa_0/T$ 下降，该现象与中子散射观测到的自旋密度波（SDW）序的出现精确相关。
• 高磁场下 $\kappa_0/T$ 的降低通过Wiedemann-Franz定律与电阻率上升相关联，表明电阻率上升是由于磁序引起的散射增强所致。
• SDW序起始的阈值磁场 $H_{\rm SDW}$ 与 $T \to 0$ 极限下电阻率上升的起始磁场一致，证实了直接因果关系。
• 将 $H_{\rm SDW}(p)$ 曲线外推，其与超导临界磁场 $H_{\rm c2}(p)$ 的交点位于 $p \simeq 0.18$，与 $p^\star \simeq 0.18$ 一致，表明在无超导性时 $p_{\rm SDW} = p^\star$。
• 在SDW序不出现的样品中，如YBCO中 $p = 0.18$ 或Zn掺杂LSCO中 $p = 0.18$ 的样品，电阻率上升现象消失，证实磁性对电阻率上升的必要性。