[论文解读] Thermo-Electric Study of Fermi Surface Reconstruction in YBa$_2$Cu$_3$O$_y$

J. Chang, Ramzy Daou+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2009

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 1

一句话总结

本研究提出，在p = 0.12的YBa₂Cu₃Oᵧ中，费米表面重构源于一种与其它铜氧化物中条纹序类似的密度波机制。在场致正常态（H ≥ 30 T）下，低温时显著的负Seebeck系数和Nernst系数证实存在一个小的电子型费米表面口袋，S(T)在约50 K处的符号变化与其它相关化合物中与条纹序相关的行为相一致。

ABSTRACT

The Seebeck and Nernst coefficients $S$ and $ u$ of the cuprate superconductor YBa$_2$Cu$_3$O$_y$ (YBCO) were measured in a single crystal with doping $p = 0.12$ in magnetic fields up to H = 28 T. Down to T=9 K, $ u$ becomes independent of field by $H \simeq 30$ T, showing that superconducting fluctuations have become negligible. In this field-induced normal state, $S/T$ and $ u/T$ are both large and negative in the $T o 0$ limit, with the magnitude and sign of $S/T$ consistent with the small electron-like Fermi surface pocket detected previously by quantum oscillations and the Hall effect. The change of sign in $S(T)$ at $T \simeq 50$ K is remarkably similar to that observed in La$_{2-x}$Ba$_x$CuO$_4$, La$_{2-x-y}$Nd$_y$Sr$_x$CuO$_4$ and La$_{2-x-y}$Eu$_y$Sr$_x$CuO$_4$, where it is clearly associated with the onset of stripe order. We propose that a similar density-wave mechanism causes the Fermi surface reconstruction in YBCO.

研究动机与目标

• 通过高磁场下的热电输运研究，探究在最佳掺杂（p = 0.12）下YBa₂Cu₃Oᵧ中费米表面的性质。
• 确定超导涨落是否掩盖正常态的电子响应，并分离出场致正常态。
• 检验在约50 K处观测到的Seebeck系数符号变化是否与密度波不稳定性相关，类似于其它铜氧化物中的条纹序。
• 将热电系数与先前的量子振荡和霍尔效应数据相关联，这些数据表明存在一个小的电子型费米表面口袋。

提出的方法

• 在单晶YBCO样品（p = 0.12）中测量了高达28 T磁场下的Seebeck（S）和Nernst（u）系数。
• 识别出超导涨落消失的磁场区间（H ≥ 30 T），从而定义场致正常态。
• 在低温极限下分析S/T和u/T的温度依赖性，以探测费米表面的拓扑结构。
• 将S(T)在约50 K处的符号变化与已知存在条纹序的La₂₋ₓSrₓCuO₄及其相关化合物中的类似行为进行比较。
• 利用S/T的符号和大小推断载流子类型和费米表面几何形状，与先前的量子振荡和霍尔效应测量结果一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 在场致正常态下，YBCO在p = 0.12时的费米表面性质是什么？
• RQ2 在约50 K处观测到的Seebeck系数符号变化是否表明进入一种具有对称性破缺的态，如密度波态？
• RQ3 热电系数S和u如何反映一个小的电子型费米表面口袋的存在？
• RQ4 YBCO中S(T)的行为在多大程度上与其它铜氧化物（如La₂₋ₓSrₓCuO₄）相似，后者已知条纹序会导致费米表面重构？
• RQ5 在高磁场下，热电测量能否隔离正常态响应并揭示电子序的特征？

主要发现

• 在H ≥ 30 T时，超导涨落可忽略不计，从而可进入YBCO的场致正常态。
• 在场致正常态下，S/T和u/T在低温时均为大且负值，与一个小的电子型费米表面口袋一致。
• S/T的大小和符号与先前的量子振荡和霍尔效应测量结果相符，证实了小电子口袋的存在。
• 在T ≈ 50 K处，S(T)出现符号变化，该行为与在La₂₋ₓSrₓCuO₄及其相关化合物中观测到的极为相似，后者已知条纹序会导致费米表面重构。
• 不同铜氧化物中S(T)行为的相似性表明，可能存在一种共同机制——很可能是密度波态——驱动YBCO中的费米表面重构。