[论文解读] Quantum oscillations in underdoped YBa_2Cu_3O_6.5

Cyril Jaudet, Julien Levallois+9 more|Bristol Research (University of Bristol)|Jan 10, 2010

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 26被引用 5

一句话总结

本研究通过Shubnikov-de Haas效应与de Haas-van Alphen效应，在欠掺杂YBa₂Cu₃O₆.₅₁中观测到量子振荡，证实存在一个覆盖约1.9%第一布里渊区的小而相干的费米面口袋。观测到的频率F = 530 ± 10 T对应于每铜原子0.038个载流子的低载流子密度，表明费米面发生剧烈重构，与能带结构预测严重不符，暗示赝能隙相中存在强关联效应或竞争序。

ABSTRACT

Shubnikov-de Haas and de Haas-van Alphen effects have been measured in the underdoped high temperature superconductor YBa$_2$Cu$_3$O$_{6.51}$. Data are in agreement with the standard Lifshitz-Kosevitch theory, which confirms the presence of a coherent Fermi surface in the ground state of underdoped cuprates. A low frequency $F = 530 \pm 10$ T is reported in both measurements, pointing to small Fermi pocket, which corresponds to 2% of the first Brillouin zone area only. This low value is in sharp contrast with that of overdoped Tl$_2$Ba$_2$CuO$_{6+δ}$, where a high frequency $F = 18$ kT has been recently reported and corresponds to a large hole cylinder in agreement with band structure calculations. These results point to a radical change in the topology of the Fermi surface on opposing sides of the cuprate phase diagram.

研究动机与目标

• 通过量子振荡测量确认欠掺杂铜氧化物YBa₂Cu₃O₆.₅₁中存在相干费米面。
• 解决角分辨光电子能谱（ARPES）显示费米弧与量子振荡暗示闭合口袋之间的长期矛盾。
• 利用Lifshitz-Kosevich理论与高场脉冲磁场测量，确定赝能隙相中费米面的拓扑结构与载流子密度。
• 将欠掺杂YBa₂Cu₃O₆.₅₁中的费米面拓扑结构与过掺杂Tl₂Ba₂CuO₆₊δ中观测到的大空穴圆柱形费米面进行对比。
• 探究铜氧化物相图中费米面拓扑结构发生剧烈变化的物理机制，特别是在欠掺杂区。

提出的方法

• 在欠掺杂YBa₂Cu₃O₆.₅₁单晶中进行最高达60 T的高场脉冲磁场测量，获取横向磁阻（Rxx）与霍尔阻抗（Rxy）。
• 利用压阻式微悬臂梁进行扭矩磁测量，检测温度低至0.5 K时的de Haas-van Alphen（dHvA）振荡。
• 应用标准的Lifshitz-Kosevich（LK）理论处理二维广义费米液体，分析振荡振幅并提取有效质量（m*）与Dingle温度（T_D）。
• 通过振荡信号的傅里叶变换分析提取量子振荡频率F，相位与阻尼因子由温度依赖振幅拟合获得。
• 利用Onsager关系F = (Φ₀ / 2π²) Aₖ，从测得的频率计算费米面横截面积Aₖ。
• 对比SdH与dHvA测量结果，验证一致性并评估LK理论在描述量子振荡时的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 欠掺杂铜氧化物YBa₂Cu₃O₆.₅₁是否表现出如量子振荡所示的相干、闭合费米面？
• RQ2 YBa₂Cu₃O₆.₅₁在赝能隙相中的费米面尺寸与拓扑结构如何？与能带结构预测相比有何差异？
• RQ3 为何欠掺杂铜氧化物中的费米面与过掺杂铜氧化物（如Tl₂Ba₂CuO₆₊δ）中的费米面存在显著不同？
• RQ4 何种物理机制——如竞争序、自旋密度波或轨道电流——可能导致欠掺杂区观测到的费米面重构？
• RQ5 所观测到的量子振荡在多大程度上支持或与高温超导体中Luttinger求和规则及传统费米液体图像相矛盾？

主要发现

• 在Shubnikov-de Haas与de Haas-van Alphen测量中均一致观测到单一量子振荡频率F = 530 ± 10 T，表明存在单一、相干的费米面口袋。
• 费米面横截面积Aₖ = 5.1 nm⁻²对应于覆盖第一布里渊区约1.9%的口袋，表明费米面极小。
• 有效质量确定为m* = 1.76 m₀，Dingle温度为T_D = 6.2 ± 1.2 K，对应平均自由程约160 Å。
• 振荡相位因子γ = 0.15 ± 0.05与电子型口袋一致，支持存在电子口袋而非空穴型费米面。
• 由Onsager关系推导出的载流子密度为每铜原子0.038个，显著低于名义掺杂水平（p ≈ 0.1），表明Luttinger求和规则被违反。
• 观测到的小费米面与过掺杂Tl₂Ba₂CuO₆₊δ中观测到的大空穴圆柱形费米面（占布里渊区65%）形成鲜明对比，凸显铜氧化物相图中费米面拓扑结构的剧烈变化。