Electronic Raman scattering in copper oxide superconductors: Understanding the phase diagram

Electronic Raman scattering measurements have been performed on hole doped copper oxide (cuprate) superconductors as a function of temperature and doping level. In the superconducting state, coherent Bogoliubov quasiparticles develop preferentially over the nodal region in the underdoped regime. We can then define the fraction of coherent Fermi surface, fc around the nodes for which quasiparticles are well defined and superconductivity sets in. We find that fc is doping dependent and leads to the emergence of two energy scales. We then establish in a single gap scenario, that the critical temperature Tc is proportional to fcΔmax where Δmax is the maximum amplitude of the d-wave superconducting gap. In the normal state, the loss of antinodal quasiparticles spectral weight detected in the superconducting state persists and the spectral weight is only restored above the pseudogap temperature T⁎. Such a dichotomy in the quasiparticles dynamics of underdoped cuprates is responsible for the emergence of the two energy scales in the superconducting state and the appearance of the pseudogap in the normal state. We propose a 3D phase diagram where both the temperature and the energy phase diagrams have been plotted together. This 3D diagram advocates in favor of a low temperature phase transition inside the superconducting dome. We anticipate that the development of coherent excitations only on a restricted part of the Fermi surface is a general feature in high Tc cuprate superconductors on approaching the Mott insulating side.

RésuméDes mesures de diffusion Raman électronique ont été menées sur les oxydes de cuivre supraconducteurs dopés en trous en fonction de la température et du dopage. Dans lʼétat supraconducteur du régime sous dopé, le poids spectral des quasiparticules de Bogoliubov reste important dans les regions nodales alors quʼil est réduit dans les regions antinodales. On peut alors définir la fraction cohérente de la surface de Fermi, fc autour des noeuds pour laquelle la supraconductivité se développe. Nous avons découvert que fc dépend du dopage et est à lʼorigine de lʼapparition de deux échelles dʼénergie dans le régime sous dopé de lʼétat supraconducteur. Nous avons alors établi dans un scenario à un seul gap que la température critique Tc est proportionnelle à fcΔmax où Δmax est lʼamplitude maximale dʼun gap de symétrie d. Dans lʼétat normal, la perte de poids spectral (observée dans lʼétat supraconducteur) persiste et ne disparait quʼau dessus de la température de pseudogap T⁎. Nous pensons que cette forte dichotomie dans la dynamique des quasiparticules est responsable à la fois de lʼapparition des deux échelles dʼénergie dans lʼétat supraconducteur et du pseudogap dans lʼétat normal des cuprates sous dopés. Nous proposons un diagramme de phase 3D où sont représentés simultanément les diagrammes de phase en température et en énergie en fonction du dopage. Ce diagramme 3D privilégie un scenario où un changement dʼétat doit exister à basse température à intérieur du dôme supraconducteur. Nous pensons que le développement des excitations cohérentes sur des portions restreintes de la surface de Fermi est un trait caractéristique des cuprates à haute température à lʼapproche dʼun isolant de Mott.