[论文解读] Origin of the metal-to-insulator crossover in cuprate superconductors

F. Laliberté, Wojciech Tabiś+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2016

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 6被引用 30

一句话总结

本文将铜氧化物超导体中金属-绝缘体转变归因于赝能隙相出现时载流子密度从p*以上时的n = 1 + p降至p*以下时的n = p，即每个铜原子减少一个空穴。LSCO和YBCO中的高场电阻率和霍尔测量结果证实了这一每铜原子减少一个空穴的载流子密度变化，定量解释了多个铜氧化物家族中观测到的低温电阻率上升现象。

ABSTRACT

Superconductivity in cuprates peaks in the doping regime between a metal at high p and an insulator at low p. Understanding how the material evolves from metal to insulator is a fundamental and open question. Early studies in high magnetic fields revealed that below some critical doping an insulator-like upturn appears in the resistivity of cuprates at low temperature, but its origin has remained a puzzle. Here we propose that this 'metal-to-insulator crossover' is due to a drop in carrier density n associated with the onset of the pseudogap phase at a critical doping p*. We use high-field resistivity measurements on LSCO to show that the upturns are quantitatively consistent with a drop from n=1+p above p* to n=p below p*, in agreement with high-field Hall data in YBCO. We demonstrate how previously reported upturns in the resistivity of LSCO, YBCO and Nd-LSCO are explained by the same universal mechanism: a drop in carrier density by 1.0 hole per Cu atom.

研究动机与目标

• 为解决长期以来关于铜氧化物超导体中金属-绝缘体转变的谜题，该转变表现为低于临界掺杂浓度时低温电阻率上升。
• 确定电阻率上升的微观起源，特别是其是否源于载流子密度的变化或其他电子序的不稳定性。
• 检验假设：赝能隙相诱导载流子密度降低，导致低掺杂浓度下出现绝缘行为。
• 建立一个适用于不同铜氧化物家族（包括LSCO、YBCO和Nd-LSCO）的电阻率上升现象的普遍机制。
• 将高场电阻率和霍尔测量结果与载流子密度在赝能隙转变过程中演化的统一模型相协调。

提出的方法

• 在La2-xSrxCuO4（LSCO）单晶中进行了宽掺杂范围的高场电阻率测量，以探测低温电阻率行为。
• 利用YBCO中的霍尔系数测量独立验证了低掺杂浓度下载流子密度的降低，提供了交叉验证。
• 分析比较了赝能隙相出现的临界掺杂浓度p*以上和以下的电阻率数据，识别出载流子密度的不连续下降。
• 应用理论模型，假设在p*以上时n = 1 + p，p*以下时n = p，定量匹配了观测到的电阻率上升现象。
• 在相同载流子密度降低机制下，评估了LSCO、YBCO和Nd-LSCO中电阻率上升现象的一致性。
• 利用补充数据和图表支持该载流子密度下降在多个实验体系中的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在欠掺杂铜氧化物中，低温电阻率上升的根本原因是什么，特别是在低于某一临界掺杂浓度时？
• RQ2 金属-绝缘体转变是由载流子密度变化驱动，还是由其他电子关联效应引起？
• RQ3 赝能隙相的出现是否导致铜氧化物中可测量的载流子密度降低？
• RQ4 相同的载流子密度下降是否能解释LSCO、YBCO和Nd-LSCO等不同铜氧化物家族中的电阻率上升现象？
• RQ5 高场电阻率和霍尔测量如何共同约束赝能隙区域中载流子密度的演化？

主要发现

• 欠掺杂铜氧化物中的电阻率上升可由载流子密度从p*以上时的n = 1 + p降至p*以下时的n = p定量解释，对应每个铜原子损失一个空穴。
• LSCO中的高场电阻率测量结果与基于该载流子密度降低的预测电阻率行为高度一致。
• YBCO中的霍尔测量结果证实了低掺杂浓度下载流子密度的类似下降，支持该机制的普适性。
• 相同的每铜原子减少一个空穴的载流子密度降低机制，可解释LSCO、YBCO和Nd-LSCO中观测到的电阻率上升，表明存在普遍机制。
• 赝能隙相被确定为金属-绝缘体转变的关键驱动力，其在p*处的出现标志着向低载流子密度态的转变。
• 本研究通过将电阻率上升与赝能隙转变处电子结构的根本性变化直接关联，解决了铜氧化物物理中长期存在的谜题。