Estudo experimental do pseudogap no supercondutor de alta temperatura crítica Bi2Sr2CaCu2O8+δ

Abstract

Esta Tese apresenta um estudo experimental dos efeitos do pseudogap nas propriedades magnéticas e de magnetotransporte de monocristais de Bi2Sr2CaCu2O8+δ (Bi-2212) preparados através da técnica de auto-fluxo. Amostras com diferentes concentrações de oxigênio foram obtidas através de tratamentos térmicos em vácuo ou sob pressão de oxigênio. Desta maneira, foi possível explorar os dois lados do domo supercondutor, com densidade de portadores variando entre p = 0,092 e p = 0,194, onde p refere-se ao número de lacunas por plano atômico de Cu-O2. Medidas de susceptibilidade magnética na fase normal foram realizadas em diversas amostras com diferentes concentrações de portadores. A susceptibilidade apresenta uma forte dependência com a temperatura. A temperatura na qual o pseudogap se abre, T*(p), foi estimada a partir da análise dos dados experimentais com um modelo fenomenológico que simula o efeito do pseudogap através de uma depressão do tipo triangular na densidade de estados no nível de Fermi. Um estudo sistemático do coeficiente Hall, RH, na fase normal em função da temperatura foi realizado em monocristais com 0,112 ≤ p ≤ 0,173. Os resultados experimentais foram ajustados em função de T para diferentes dopagens supondo que o coeficiente Hall total é composto por um termo ordinário somado a uma contribuição anômala. O termo anômalo é bem descrito por uma lei de “cut-off”, na qual, o parâmetro característico reproduz a temperatura de pseudogap, T*(p). Tais resultados evidenciam a correlação entre RH(T, p) e o fenômeno do pseudogap. Medidas de densidade de energia cinética, Ek, na fase supercondutora foram realizadas em diversos monocristais com diferentes concentrações de portadores. A magnitude de Ek em temperaturas próximas a Tc exibe um máximo em p ≈ 0,18. Este mesmo comportamento foi observado na densidade de superfluido, S  . A variação de Ek e S  com p é dominada pela escala de energias do pseudogap. De modo geral, os resultados obtidos apontam para um cenário em que a linha T*(p) representa um “crossover” e que o fenômeno do pseudogap é originado por excitações magnéticas.

This Thesis presents an experimental study of the pseudogap effects on the magnetic and magneto-transport properties of Bi2Sr2CaCu2O8+δ (Bi-2212) single crystals grown by the self-flux method. Single crystals with different oxygen concentrations were obtained by appropriated heat treatment in vacuum or under oxygen pressure. It was possible to explore both sides of the superconducting dome, with the carrier density varying between p = 0,092 and p = 0,194, where p is the number of holes per Cu-O2 atomic plane. Magnetic susceptibility measurements in the normal phase were made for samples with different carrier concentration. The susceptibility shows a strong temperature dependence. The temperature at which the pseudogap opens, T*(p), was estimated through experimental data analyses using a phenomenological model that simulates the pseudogap effects through a triangular-like density of states at the Fermi level. A systematic study of the Hall coefficient, RH, in the normal phase as a function of the temperature was carried out in single crystals with 0,112 ≤ p ≤ 0,173. The experimental results were adjusted as a function of T for different dopings assuming that the total Hall coefficient is composed by an ordinary term plus an anomalous contribution. The anomalous term is well described by a cut-off law, in which the characteristic parameter reproduces the pseudogap temperature, T*(p). Such results are an evidence of the correlation between RH(T,p) and the pseudogap phenomenon. Measurements of the kinetic density energy, Ek, in the superconducting phase were made in several single crystals with different carrier concentrations. The magnitude of Ek for temperatures close to Tc shows a maximum at p ≈ 0,18. This same behavior was observed in the superfluid density, S  . The change of the Ek and S  as a function of the hole concentration is ruled by the pseudogap energy scale. In general, our results are in accordance with a scenario in which the T*(p) line represents a crossover and the pseudogap phenomenon is originated by magnetic excitations.