Angle-resolved photoemission study of unconventional cuprate superconductors

Understanding unconventional superconductivity remains one of the most important unsolved problems in physics. A particularly noteworthy case is the copper-based high-temperature superconductor, which stands out due to its remarkably high transition temperature and relatively simple structure. These exceptional properties not only make the study of cuprates valuable for potential practical applications but also provide a prominent platform for deepened understanding of many-particle physics. In the realm of quantum materials, angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) has emerged as an indispensable tool for examining the intricate electronic structure in momentum space. This methodology directly probes the single-particle spectral function and can uncover the underlying microscopic interactions. In recent years, technological advancements have enabled the development and implementation of time-resolved ARPES (tr-ARPES). tr-ARPES allows access to non-equilibrium transient states and provides valuable insights into the correlated dynamic properties. This thesis work is divided into two main parts. The first part focuses on the development of a high-resolution, high harmonic generation (HHG)-based tr-ARPES setup. The second part involves ARPES investigations of hole- and electron-doped cuprate superconductors. The aim of developing the tr-ARPES setup was to have a light source with specific characteristics, including a narrow bandwidth, a wide range of photon energies (covering the entire first Brillouin zone), good temporal resolution (near the transform limit), and a high repetition rate (to mitigate the space charge effect). To meet these requirements, the chosen technical approach is the HHG method, driven by an unusually long laser pulse (~460 fs) and short wavelength (343 nm) from a frequency tripled Yb fiber laser. The selection of photon energy is achieved through switchable multilayer bandpass mirrors and thin film filters to prevent temporal broadenin
Att förstå okonventionell supraledning är fortfarande ett av de viktigaste olösta problemen i modern fysik. Ett särskilt anmärkningsvärt fall är de kopparoxidbaserade högtemperatursupraledarna (kuprater), som sticker ut på grund av sina anmärkningsvärt höga övergångstemperaturer och relativt enkla struktur. Dessa exceptionella egenskaper gör inte bara studier av kuprater värdefulla för potentiella praktiska tillämpningar utan ger också en plattform för att studera mångpartikelfysik. Vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) har etablerat sig som ett oumbärligt verktyg för att studera elektronstrukturen hos kvantmaterial. Denna metod kan experimentellt mäta spektralfunktionen för ett kristalint material och därmed i princip fastställa alla enpartikelegenskaper hos materialet och underliggande mikroskopiska interaktioner. Under de senaste åren har tekniska framsteg möjliggjort utveckling och implementering av tidsupplöst ARPES (tr-ARPES). tr-ARPES ger tillgång till transienta icke-jämviktstillstånd och ger därmed värdefulla insikter i korrelerade systems dynamiska egenskaper. De arbeten som redovisas i denna avhandling är uppdelat i två huvuddelar. Den första delen fokuserar på utvecklingen av en högupplöst tr-ARPES ljuskälla baserad på övertonsgenerering (HHG). Den andra delen omfattar ARPES-undersökningar av hål- och elektrondopade kuprater. Syftet med att utveckla tr-ARPES-ljuskällan var att ha åstadkomma en ljuskälla med specifika egenskaper såsom smal bandbredd, ett brett spektrum av fotonenergier (som täcker hela den första Brillouin-zonen), bra tidsupplösning (nära transformgränsen) och en hög repetitionsfrekvens (för att mildra rymdladdningseffekten). För att uppfylla dessa krav valdes HHG, driven av en ovanligt lång laserpuls (~460 fs) med kort våglängd (343 nm) från en frekvenstripplad Yb-fiberlaser. Valet av fotonenergi uppnås genom utbytbara flerskiktsbandpasspeglar och tunnfilmsfilter för att förhindra tidsmässig breddning. Med denna approach uppnår
QC 2023-05-31