Doping Dependent Evolution of the Fermi Surface and Competing Ordering Phenomena in Superconduction Cuprates

• Antragsteller: Professor Dr. Rudolf Gross
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 165254915

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Projekts wurde eine systematische Untersuchung der Größe und Topologie der Fermi-Fläche des elektrondotierten Kupratsupraleiters Nd2−x Cex CuO4 sowie deren Entwicklung mit der Dotierung mit Hilfe von magnetischen Quantenoszillationen durchgeführt. Um zuverlässige Informationen über die elektronische Struktur von einkristallinem Nd2−x Cex CuO4 in Abhängigkeit von der Ladungsträgerkonzentration x zu erhalten, wurden umfangreiche Magnetotransportmessungen (Shubnikov-de Haas-Oszillationen, Hall-Effekt, Seebeck- und Nernst-Effekt) in den weltweit höchsten, zerstörungsfrei erzeugbaren Magnetfeldern (bis 85 T) durchgeführt. Basis für die Experimente waren hochreine Einkristalle sehr hoher Qualität, die im Kristalllabor des Walther-Meißner-Instituts in feinen Dotierungsabstufungen hergestellt wurden. Die gemessenen Quantenoszillationen und semiklassische Oszillationen des Magnetwiderstands lieferten völlig neue Erkenntnisse zu verschiedenen Eigenschaften der Fermi-Fläche von Nd2−x Cex CuO4 und des Grundzustands dieses Materialsystems. Die Resultate der detaillierten Untersuchung des Einflusses der Temperatur, des magnetischen Feldes und der Magnetfeldorientierung auf den elektrischen Transport offenbaren einen engen Zusammenhang zwischen symmetriebrechenden Ordnungsphänomenen und der Supraleitung in Nd2−x Cex CuO4. Im Rahmen des Projektes wurden folgende zentralen Ergebnisse erhalten: 1. Im gesamten überdotierten Bereich des Phasendiagramms von Nd2−x Cex CuO4 (0.15 ≤ x ≤ 0.175) liegt eine rekonstruierte Fermi-Fläche mit elektron- und lochartigen Taschen aufgrund eines endlichen Übergitterpotenzials vor, dessen physikalische Ursache noch unbekannt ist. 2. Die Stärke des Übergitterpotenzials nimmt im überdotierten Bereich mit zunehmender Dotierung ab und verschwindet bei der gleichen kritischen Dotierung xc = 0.175, bei der auch die Supraleitung verschwindet. Dies legt einen direkten Zusammenhang des Übergitterpotenzials mit der Ursache der Supraleitung nahe. 3. Der Vorzeichenwechsel des Hochfeld-Hall-Effekts als Funktion der Dotierung kann mit der speziellen Form der Fermi-Fläche mit elektron- und lochartigen Taschen und dem bei hohen Feldern einsetzenden magnetischen Durchbruch konsistent erklärt werden. 4. Durch Messung von winkelabhängigen Magnetowiderstandsoszillationen (AMRO) im überdotierten Bereich konnte die dreidimensionale Fermi-Fäche von Nd2−x Cex CuO4 bestimmt werden. 5. Durch die detaillierte quantitative Analyse der Shubnikov-de Haas-Oszillationen im überdotierten Bereich konnten die effektiven Zyklotronmassen, die Dingle-Temperatur und das magnetische Durchbruchsfeld als Funktion der Dotierung bestimmt werden. 6. Unmittelbar unterhalb der optimalen Dotierung von xopt = 0.145 setzt eine abrupte Änderung der elektronischen Struktur ein, die sich in einem Anstieg der Zyklotronmasse, einer sprungartigen Änderung des Hall-Koeffizienten und einer abrupten Abnahme der Oszillationsamplitude der Shubnikov-de Haas-Oszillationen manifestiert. Dieser zweite kritische Punkt im Phasendiagramm von Nd2−x Cex CuO4 ist mit dem Einsetzen einer langreichweitigen antiferromagnetischen Ordnung verbunden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Evolution of the Fermi Surface of the Electron-Doped High-Temperature Superconductor Nd2−x Cex CuO4 Revealed by Shubnikov-de Haas Oscillations. Phys. Rev. Lett. 103, 157002 (2009)
  T. Helm, M.V. Kartsovnik, M. Bartkowiak, N. Bittner, M. Lambacher, A. Erb, J. Wosnitza, R. Gross,
  
• in: Electronic Oxides – Correlation Phenomena, Exotic Phases and Novel Functionalities, Schriften des Forschungszentrums Jülich, Reihe Schlüsseltechnologien/Key Technologies, Band 13, A11.1 - A11.43 (2010); ISSN 1866-1807, ISBN 978-3-89336-609-5
  R. Gross
  
• Magnetic breakdown in the electron-doped cuprate superconductor Nd2−x Cex CuO4 : the reconstructed Fermi surface survives in the strongly overdoped regime. Phys. Rev. Lett. 105, 247002 (2010)
  T. Helm, M.V. Kartsovnik, I. Sheikin, M. Bartkowiak, F. Wolff-Fabris, N. Bittner, W. Biberacher, M. Lambacher, A. Erb, J. Wosnitza, R. Gross
  
• Fermi Surface of the Electron-overdoped Superconductor Nd2−x Cex CuO4+δ Probed by High Field Magnetotransport. New J. Phys. 13, 015001 (2011)
  M. V. Kartsovnik, T. Helm, C. Putzke, F. Wolff-Fabris, I. Sheikin, C. Proust, D. Vignolles, N. Bittner, W. Biberacher, A. Erb, J. Wosnitza, and R. Gross
  
• Correlation between Fermi surface transformations and superconductivity in the electrondoped high-Tc superconductor Nd2−x Cex CuO4
  T. Helm, M. V. Kartsovnik, C. Proust, B. Vignolle, C. Putzke, E. Kampert, I. Sheikin, E.-S. Choi, J. S. Brooks, N. Bittner, W. Biberacher, A. Erb, J. Wosnitza, R. Gross