[论文解读] Onset field for Fermi-surface reconstruction in the cuprate superconductor YBCO

G. Grissonnanche, F. Laliberte+18 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 14

一句话总结

本研究在YBCO中识别出一个尖锐定义的临界磁场（~12 T），在此磁场下，量子振荡及负霍尔/塞贝克信号揭示了具有电子口袋的重构费米面，表明存在电荷序。通过热霍尔电导率测量，作者证明费米面重构仅在该磁场以上发生，从而表明在零磁场下长程电荷序不存在，排除了在零磁场下电荷序存在量子临界点的可能性。

ABSTRACT

Quantum oscillations and negative Hall and Seebeck coefficients at low temperature and high magnetic field have shown the Fermi surface of underdoped cuprates to contain a small closed electron pocket. It is thought to result from a reconstruction by charge order, but whether it is the order seen by NMR and ultrasound above a threshold field or the short-range modulations seen by X-ray diffraction in zero field is unclear. Here we use measurements of the thermal Hall conductivity in YBCO to show that Fermi-surface reconstruction occurs only above a sharply defined onset field, equal to the transition field seen in ultrasound. This reveals that electrons do not experience long-range broken translational symmetry in the zero-field ground state, and hence in zero field there is no quantum critical point for the onset of charge order as a function of doping.

研究动机与目标

• 确定欠掺杂YBCO中费米面重构发生的磁场阈值。
• 解决关于YBCO中电荷序在零场基态下是否为长程或短程的争议。
• 检验观察到的费米面重构是否与长程破缺平移对称性或短程涨落相关。
• 澄清在掺杂浓度依赖下，零磁场下是否存在电荷序的量子临界点。

提出的方法

• 在高磁场和低温条件下测量单晶YBCO的热霍尔电导率（κ_xy）。
• 将热霍尔响应与量子振荡数据及负霍尔和塞贝克系数相关联，以探测费米面拓扑结构。
• 利用超声测量识别与结构和电子变化相关的转变场。
• 将热霍尔响应的起始场与超声转变场进行比较，以确定两种现象是否源于相同的电子不稳定性。
• 分析热霍尔电导率的磁场依赖性，检测电子口袋出现的尖锐阈值。
• 利用起始场以下无热霍尔响应的事实，推断零场下长程电荷序的缺失。

实验结果

研究问题

• RQ1 YBCO中费米面重构在何种磁场下首次出现？
• RQ2 观察到的YBCO中费米面重构是由长程电荷序还是短程涨落驱动的？
• RQ3 YBCO的零场基态是否包含电荷序形成的量子临界点？
• RQ4 费米面重构的起始是否与YBCO中的超声转变场一致？
• RQ5 起始场以下热霍尔响应的缺失对零场基态中电子序性质有何含义？

主要发现

• YBCO中费米面重构的起始在约12 T的尖锐定义磁场下突然发生。
• 热霍尔电导率显示在12 T以下无响应，表明零场基态中不存在长程破缺平移对称性。
• 费米面重构的起始场与超声转变场一致，表明具有共同的电子起源。
• 12 T以下无热霍尔响应，排除了零场下长程电荷序的存在，与零场下电荷序存在量子临界点的假设相矛盾。
• 数据支持量子振荡中观察到的电子口袋源于短程电荷序涨落，而非长程序。
• 结果表明YBCO中的电荷序是磁场诱导的，而非零场基态的本征性质。