[论文解读] Revealing the ortho-II Band Folding in YBa2Cu3O7-delta Films

Yasmine Sassa, M. Radović+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2011

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 12

一句话总结

本研究采用原位脉冲激光沉积法生长氧有序的YBa₂Cu₃O₇₋δ薄膜，实现了高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）测量，直接揭示了费米面上的正交-II型带折叠现象。结果证实了理论预测中关于一维CuO链有序导致的带折叠，表明氧空位有序与表面洁净度对于在欠掺杂铜氧化物中观测体相电子结构均至关重要。

ABSTRACT

We present an angle-resolved photoelectron spectroscopy study of YBa2Cu3O7-delta films in situ grown by pulsed laser deposition. We have successfully produced underdoped surfaces with ordered oxygen vacancies within the CuO chains resulting in a clear ortho-II band folding of the Fermi surface. This indicates that order within the CuO chains affects the electronic properties of the CuO2 planes. Our results highlight the importance of having not only the correct surface carrier concentration, but also a very well ordered and clean surface in order that photoemission data on this compound be representative of the bulk.

研究动机与目标

• 为克服长期以来由于表面无序和掺杂问题导致在YBa₂Cu₃O₇₋δ中通过ARPES观测正交-II型带折叠的挑战。
• 确立CuO链中表面氧空位有序对于在欠掺杂YBCO中观测体相类似电子结构的必要性。
• 证明载流子浓度正确且具有长程有序是ARPES能够获得YBCO代表性数据的必要条件。
• 为此前未经证实的理论模型提供实验验证，这些理论模型预测正交-II型YBCO中存在带折叠。

提出的方法

• 采用原位脉冲激光沉积（PLD）法生长高质量、氧有序的YBa₂Cu₃O₇₋δ薄膜，精确控制化学计量比与表面终端。
• 在瑞士光源SIS X09LA束线进行角分辨光电子能谱（ARPES）测量，使用70 eV圆偏振光子与高能量分辨率（15–25 meV）。
• 提取动量分布曲线（MDCs）并采用洛伦兹函数拟合，以确定费米能级处的费米动量（kF）。
• 采用紧束缚模型，参数为t = 558 ± 50 meV，t′/t = 0.49 ± 0.03，t′′/t′ = 0.5 ± 0.03，μ = -469 ± 90 meV，V = 75 meV，模拟费米面。
• 针对孪生正交-II样品计算理论费米面图，包括因(2×1)链有序导致a轴方向的原胞加倍。
• 将模拟强度图与实验数据对比，验证带折叠的存在并匹配观测到的kF位置。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在表面挑战，是否能通过ARPES在YBa₂Cu₃O₇₋δ薄膜中实验观测到正交 l-II型带折叠？
• RQ2 CuO链中氧空位有序在稳定表面及影响CuO₂平面电子结构方面发挥何种作用？
• RQ3 为何以往对YBCO（包括K共掺杂样品）的ARPES研究未能检测到正交-II型带折叠？
• RQ4 表面终止与载流子浓度在多大程度上影响ARPES数据对体相电子结构的代表性？
• RQ5 孪生结构与(2×1)链超结构的存在如何影响观测到的费米面拓扑结构？

主要发现

• 对原位生长、氧有序的YBCO薄膜进行的ARPES测量清晰揭示了费米面上的正交-II型带折叠，证实了理论预测。
• 观测到的费米面呈现折叠结构，源于CuO链中氧空位有序形成的(2×1)超结构，导致布里渊区减小。
• 实验测得的费米能级处kF位置与基于紧束缚模型（t = 558 ± 50 meV，V = 75 meV）的模拟强度图高度一致。
• 本研究证明，表面氧空位有序是观测体相类似电子性质的必要条件，解释了以往ARPES研究失败的原因。
• 结果验证了包含正交 l-II型带折叠的理论模型，提示其在解释欠掺杂铜氧化物中量子振荡与破缺四重对称性现象中的重要性。
• 本工作确立了正确掺杂与长程有序是ARPES获得代表性数据的必要条件，解决了早期研究中的不一致性。