[论文解读] Pseudogap State in High-$T_c$ Superconductors: an Infrared Study

A. V. Puchkov, D. N. Basov+1 more|ArXiv.org|Nov 12, 1996

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用 45

一句话总结

本研究利用ab面电荷动力学的红外光谱，研究欠掺杂高温超导体中的赝能隙态。通过对多个铜氧化物家族的光学数据进行记忆函数分析，发现在特征温度T*以下约700–800 cm⁻¹以下，反弛豫率1/τ(ω)出现普遍性下拉，而T*高于Tc，并在正常态中持续存在，为超导性之前电子响应中预先形成的能隙提供了有力证据。

ABSTRACT

We report on a study of the electromagnetic response of three different families of high-T_c superconductors that in combination allowed us to cover the whole doping range from under- to overdoped. The discussion is focused on the ab-plane charge dynamics in the {\it pseudogap state} which is realized in underdoped materials below a characteristic temperature T^*; a temperature that can significantly exceed the superconducting transition temperature T_c. We explore the evolution of the pseudogap response by changing the doping level, by varying the temperature from the above to below T^*, or by introducing impurities in the underdoped compounds. We employ a memory-function analysis of the ab-plane optical data that allows us to observe the effect of the pseudogap most clearly. We compare the infrared data with other experimental results, including c-axis optical response, dc transport, and angular resolved photoemission.

研究动机与目标

• 利用红外光谱研究整个掺杂范围内高温超导体中赝能隙态的性质。
• 确定赝能隙是否表现为在T*以下ab面电荷动力学中低能激发的抑制。
• 研究赝能隙在欠掺杂化合物中随掺杂、温度及杂质替代（Zn）的演化行为。
• 将ab面光学响应与c轴电导率、直流输运及角分辨光电子能谱（ARPES）数据进行比较，以建立赝能隙的统一图像。
• 评估声子及电子-声子耦合在所观测光学特征中的作用，特别是在赝能隙背景下的影响。

提出的方法

• 在三种铜氧化物家族（Bi2212、Tl2201、Y123和Y124）的ab面进行红外反射率与光学电导率测量，覆盖从欠掺杂到过掺杂区域。
• 应用记忆函数分析从ab面光学电导率数据中提取反弛豫率1/τ(ω)，以清晰可视化赝能隙效应。
• 通过在T*以上至以下改变温度，以及在Y124中引入Zn杂质，追踪赝能隙的演化。
• 将结果与c轴光学响应、直流电阻率及ARPES数据进行比较，关联不同实验探针中的赝能隙特征。
• 使用解孪的Y123晶体和ac面测量，以隔离ab面响应并排除c轴LO声子耦合的影响。
• 分析1/τ(ω)的频率与温度依赖性，以区分电子-玻色子耦合与本征赝能隙行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 赝能隙态是否在T*以下表现为ab面中低能电荷激发的抑制？
• RQ2 赝能隙如何随掺杂演化？在最佳掺杂时，T*是否如相图预测的那样与Tc相交？
• RQ3 Zn杂质对ab面和c轴响应中的赝能隙有何影响？是否抑制T*？
• RQ4 观测到的1/τ(ω)频率依赖行为是否与电子-玻色子耦合一致，或更倾向于本征电子关联？
• RQ5 ab面光学特性与相同材料中c轴电导率及直流输运异常相比如何？

主要发现

• 在所有欠掺杂铜氧化物中，T*以下约700–800 cm⁻¹以下，均观察到反弛豫率1/τ(ω)的普遍性下拉，表明低能电荷激发受到抑制。
• 赝能隙起始温度T*在欠掺杂材料中显著高于Tc，且随掺杂增加而降低，在最佳掺杂时与Tc相交。
• 在过掺杂区域，赝能隙特征消失，1/τ(ω)表现出强烈的温度依赖性，与欠掺杂化合物中温度无关的高频1/τ(ω)形成鲜明对比。
• Zn掺杂在ab面和c轴响应中均抑制赝能隙，使1/τ(ω)行为转变为类似过掺杂材料的特征，表明赝能隙对无序敏感。
• 1/τ(ω)最陡峭上升的频率范围位于氧声子频率附近，且随温度或掺杂变化极小，提示声子间接参与其中。
• 所观测的光学响应（包括Drude峰变窄及光谱权重向低频转移）与载流子散射率因赝能隙而降低一致，而非传统超导能隙。