[论文解读] Pseudogap and quantum-transition phenomenology in HTS cuprates

J. L. Tallon, J. W. Loram+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2002

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 4

一句话总结

本文提出，高温超导铜氧化物中的赝能隙源于短程反铁磁（AF）自旋关联，而非超导配对的前兆。在临界掺杂浓度 p_crit = 0.19 个空穴/每个 Cu 原子处，发生量子玻璃态相变，反铁磁自旋涨落被突然抑制，(π,0) 处准粒子寿命得以恢复，而线性电阻率仅在 p_crit 处从 T=0 开始出现，表明存在一个量子临界点（QCP）。

ABSTRACT

The low-energy excitation spectrum of HTS cuprates is examined in the light of thermodynamic, transport, quasiparticle and spin properties. Changes in the thermodynamic spectrum associated with the normal-state pseudogap disappear abruptly at a critical doping state, $p_{crit}$ = 0.19 holes per Cu. Moreover, ARPES data at 100K show that heavily damped quasiparticles (QP) near ($π$,0) suddenly recover long lifetimes at $p_{crit}$, reflecting an abrupt loss of scattering from AF spin fluctuations. This picture is confirmed by $μ$SR zero-field relaxation measurements which indicate the presence of a novel quantum glass transition at $p_{crit}$. Consistent with this picture resistivity studies on thin films of Y$_{0.7}$Ca$_{0.3}$Ba$_2$Cu$_3$O$_{7-δ}$ reveal linear behavior confined to a V-shaped domain focussed on $p_{crit}$ at $T$=0. The generic phase behavior of the cuprates may be governed by quantum critical fluctuations above $p_{crit}$ and the pseudogap appears to be caused by short-range AF correlations.

研究动机与目标

• 解决高温超导铜氧化物中赝能隙起源的长期争议。
• 研究赝能隙是否为超导性的前兆，还是竞争相。
• 确定在 p_crit = 0.19 个空穴/每个 Cu 原子处电子性质发生突变的本质。
• 利用热力学、谱学和输运数据检验在 p_crit 处存在量子临界点（QCP）的假设。
• 基于量子临界性和短程 AF 有序，建立铜氧化物相行为的统一现象学框架。

提出的方法

• 分析 Y-123、Bi-2212 和 La-214 中的热力学数据（比热、熵、凝聚能），以提取赝能隙能量 Eg 和准粒子权重。
• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）测量在不同掺杂浓度和温度下，(π,0) 和 (π/2,π/2) 处的准粒子寿命和谱权重。
• 采用零场正电子素自旋共振（μSR）测量，探测相图中反铁磁自旋涨落的动力学行为。
• 测量外延生长的 Y0.7Ca0.3Ba2Cu3O7−δ 薄膜的电阻率，以绘制线性 T 依赖性的 T–p 平面图。
• 在 La-214 中引入 Zn 掺杂，调节自旋涨落动力学，并在 μSR 时间窗口内观测交叉温度 Tf 和 Tg。
• 通过非守恒三角形模型 N(E) = N0(E/Eg) 对态密度（DOS）进行拟合，其中 E < Eg 时成立，E > Eg 时 N(E) = N0，从而从熵数据中提取 Eg。

实验结果

研究问题

• RQ1 在轻掺杂铜氧化物中，赝能隙的起源是什么——预形成的 Cooper 对，还是竞争的反铁磁自旋关联？
• RQ2 在 p_crit = 0.19 个空穴/每个 Cu 原子处，热力学和电子性质的突变是否表明存在一个量子临界点？
• RQ3 在 p_crit 附近，(π,0) 附近的准粒子寿命如何演化，这对反铁磁自旋涨落的作用意味着什么？
• RQ4 正常态中的线性电阻率为何被限制在以 p_crit 为中心的 V 形区域内？这又对量子临界行为意味着什么？
• RQ5 通过 μSR 测量（有无 Zn 掺杂）揭示的在 p_crit 处自旋涨落动力学的本质是什么？

主要发现

• 赝能隙能量 Eg 和比热跳跃 Δγ 均在 p_crit = 0.19 个空穴/每个 Cu 原子处出现突变，表明存在一个尖锐的相变。
• 在 100 K 下的 ARPES 数据显示，(π,0) 附近的准粒子寿命在 p_crit 处突然恢复，表明反铁磁自旋涨落引起的散射被迅速抑制。
• μSR 零场弛豫测量显示，低于 p_crit 时自旋涨落显著减慢，而在 p_crit 以上则完全消失，且交叉温度 Tf 和 Tg 在 p_crit 处收敛至零。
• Y0.7Ca0.3Ba2Cu3O7−δ 薄膜中的电阻率表现出线性 T 依赖性，其区域在 T–p 平面中呈 V 形，精确聚焦于 p_crit，且线性行为可延伸至 T=0。
• 凝聚能 U0 和超流密度在 p_crit 处急剧降低，表明由于竞争的赝能隙序，超导基态受到显著削弱。
• Zn 掺杂抑制了自旋涨落，并将 Tf 和 Tg 移至更高温度，但在 p > p_crit 时未观测到慢速自旋涨落，证实了在临界掺杂以上 AF 动力学被抑制。