[论文解读] Pseudogap in electron-doped cuprates: Strong correlation leading to band splitting

Masafumi Horio, Shiro Sakai+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 4

一句话总结

本研究表明，电子掺杂铜氧化物中的赝隙源于邻近莫特绝缘体，而非自旋反铁磁（AFM）能带折叠，这一结论得到角分辨光电子能谱（ARPES）的证实：ARPES显示赝隙具有动量依赖性，且在反节点处减弱。结果与簇动力学平均场理论（CDMFT）计算一致，支持赝隙在空穴掺杂与电子掺杂铜氧化物中均源于普遍的莫特物理机制。

ABSTRACT

The pseudogap phenomena have been a long-standing mystery of the cuprate high-temperature superconductors. The pseudogap in the electron-doped cuprates has been attributed to band folding due to antiferromagnetic (AFM) long-range order or short-range correlation. We performed an angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) study of the electron-doped cuprates Pr$_{1.3-x}$La$_{0.7}$Ce$_x$CuO$_4$ showing spin-glass, disordered AFM behaviors, and superconductivity at low temperatures and, by measurements with fine momentum cuts, found that the gap opens on the unfolded Fermi surface rather than the AFM Brillouin zone boundary. The gap did not show a node, following the full symmetry of the Brillouin zone, and its magnitude decreased from the zone-diagonal to ($π$,0) directions, opposite to the hole-doped case. These observations were reproduced by cluster dynamical-mean-field-theory (CDMFT) calculation, which took into account electron correlation precisely within a (CuO$_2$)$_4$ cluster. The present experimental and theoretical results are consistent with the mechanism that electron or hole doping into a Mott insulator creates an in-gap band that are separated from the upper or lower Hubbard band by the pseudogap.

研究动机与目标

• 研究电子掺杂铜氧化物中赝隙的起源，尤其关注自旋玻璃和无序反铁磁（AFM）序的存在影响。
• 通过检验赝隙的动量依赖性和能隙大小，验证其是否如先前所提出的那样源于AFM诱导的能带折叠。
• 确定电子掺杂体系中的赝隙是否与空穴掺杂铜氧化物中的赝隙具有相同的起源，特别是通过邻近莫特绝缘态的机制。
• 将实验获得的ARPES数据与簇动力学平均场理论（CDMFT）计算进行对比，以验证莫特物理机制的合理性。
• 通过对比电子掺杂与空穴掺杂铜氧化物的行为，解决赝隙普遍性长期存在的争议。

提出的方法

• 在10 K下，使用16.5 eV圆偏振光（能量分辨率15 meV）对保护性退火处理的Pr1.3-xLa0.7Ce xCuO4（PLCCO，x=0.02）单晶进行了角分辨光电子能谱（ARPES）测量。
• 样品通过在850 °C和400 °C下进行保护性退火处理，以抑制准粒子散射并提高谱图清晰度。
• ARPES测量在超高真空环境（<3×10⁻¹¹ Torr）下进行，以确保获得清洁的解理表面和高质量数据。
• 簇动力学平均场理论（CDMFT）计算采用2×2相互作用簇耦合八个 bath 位点，在零温下通过精确对角化求解。
• 谱图计算采用0.05t的能量展宽因子，并结合累积量插值技术以模拟实验分辨率。
• 通过μ子自旋旋转（μSR）和磁化率测量对磁性进行表征，结果确认在140 K以下存在无序反铁磁行为，在15 K以下存在自旋玻璃行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 电子掺杂铜氧化物中的赝隙是否如先前所建议的那样源于反铁磁能带折叠？
• RQ2 赝隙大小在动量空间中如何变化，特别是在反节点区域（π,0）和（0,π）附近？
• RQ3 所观测到的赝隙是否与邻近莫特绝缘态引起的s对称性能隙一致？
• RQ4 簇动力学平均场理论（CDMFT）计算能否再现ARPES中观测到的动量依赖性赝隙？
• RQ5 电子掺杂铜氧化物中的赝隙是否普遍与控制空穴掺杂铜氧化物中赝隙的相同莫特物理机制相关？

主要发现

• 在电子掺杂PLCCO（x=0.02）中，赝隙表现出强烈的动量依赖性，并在反节点点（π,0）和（0,π）处消失，这与AFM布里渊区边界上能隙大小恒定的预期相矛盾。
• 在反节点附近，能隙打开位置偏离了AFM布里渊区边界，这与AFM能带折叠模型的预测不一致。
• ARPES数据显示，接近反节点区域时赝隙大小明显减小，表明在（π,0）处存在能隙最小值，这与CDMFT计算的预测一致。
• 基于 Hubbard 模型的 CDMFT 计算再现了观测到的动量依赖性，包括在反节点处具有最小值的s对称性赝隙，且无能带折叠现象。
• 结果支持空穴掺杂与电子掺杂铜氧化物中赝隙的普遍起源均来自邻近莫特绝缘态，赝隙可视为缩小化的莫特能隙。
• 在AFM布里渊区边界上不存在稳定且恒定的能隙，且能带折叠图像不成立，表明赝隙并非由长程AFM序驱动，而是源于莫特物理内在的强电子关联效应。