[송동준 박사, 김창영 교수] 고온초전도 현상에서 양자임계점의 중요성 및 새로운 상태도 발견 (Nature Communications 논문 게재)
“Interplay between hole superconductivityand quantum critical antiferromagneticfluctuations in electron-doped cuprates”
구리기반 고온초전도체가 가지는 높은 임계 온도(Tc)의 특이(unconventional) 초전도 상태는 반강자성 스핀요동에 의하여 매개되는 것으로 믿어지고 있다. 하지만, 물질이 가지고 있는 전자간의 상호작용에 의한 다체 효과 및 다양한 정렬(order)로 인하여, 쿠퍼 전자쌍이 어떻게 만들어지는가를 정확히 이해하는 것은 매우 어렵다. 본 연구의 대상인 전자 도핑계 고온 초전도체의 경우에도, 최근의 실험 및 이론적 연구를 통하여 스핀 요동에 의해 만들어지는 준입자 밴드폴딩(quasi-particle band folding)이 만들어진다고 제안되기는 했지만, 페르미 포켓과 초전도성 간의 관계는 여전히 명확하다 하기 어렵다.
구리기반 고온초전도체가 가지는 높은 임계 온도(Tc)의 특이(unconventional) 초전도 상태는 반강자성 스핀요동에 의하여 매개되는 것으로 믿어지고 있다. 하지만, 물질이 가지고 있는 전자간의 상호작용에 의한 다체 효과 및 다양한 정렬(order)로 인하여, 쿠퍼 전자쌍이 어떻게 만들어지는가를 정확히 이해하는 것은 매우 어렵다. 본 연구의 대상인 전자 도핑계 고온 초전도체의 경우에도, 최근의 실험 및 이론적 연구를 통하여 스핀 요동에 의해 만들어지는 준입자 밴드폴딩(quasi-particle band folding)이 만들어진다고 제안되기는 했지만, 페르미 포켓과 초전도성 간의 관계는 여전히 명확하다 하기 어렵다.
본 연구에서는 각도분해 광전자 분광법과 수치 시뮬레이션을 사용하여, 임계온도 Tc와 전자 도핑된 Pr1−xLaCexCuO4±δ의 nodal point 근처에 있는 홀 포켓 준입자 무게(quasi-particle weight)간에 명확한 비례 관계가 있다는 것을 발견하였다. 또한, 뮤온 스핀 분광법 측정을 통해 홀 포켓이 양자 임계점 주변의 fluctuating 반강자성 기저 상태 영역에서만 형성된다는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 홀 포켓이 초전도 현상에서 매우 중요한 역할을 함을 보여주며, 결과적으로 초전도성을 향상시키는 데 있어서 전자와 스핀요동의 상호작용이 중요함을 확인하여 주었다.
Antiferromagnetic spin fluctuations are the most promising candidate as the pairing glue of high critical temperature (Tc) superconductivity in cuprates. However, many-body states and intertwined orders have made it difficult to determine how electrons couple with fluctuating spins to form Cooper pairs. Recent experimental and theoretical studies have suggested spin fluctuation driven quasiparticle band folding, but the relationship between the resultant Fermi pockets and superconductivity remains unclear. Here, using angle resolved photoemission spectroscopy and numerical simulations, we show a proportional relationship between Tc and the quasiparticle weight of the incipient hole pocket near the nodal point in electron-doped Pr1−xLaCexCuO4±δ. Through complementary muon spin spectroscopy measurements, we uncover that the hole pocket forms only in the regime of the fluctuating antiferromagnetic ground state around a presumed quantum critical point. Our observations highlight the significance of the electron-spin fluctuation interaction in enhancing the hole pocket and consequently driving superconductivity.
Authors: Dongjoon Song#(서울대), Suheon Lee#, Zecheng Shen, Woobin Jung, Wonjun Lee, Sungkyun Choi, Wonshik Kyung, Saegyeol Jung, Cheng-Maw Cheng, Junyoung Kwon, S. Ishida, Y. Yoshida, Seung Ryong Park, H. Eisaki, Yao Wang*, Kwang-Yong Choi* & C. Kim* (서울대)
Publication date: 20 March 2025