[論文レビュー] A strongly correlated electron model for the layered organic superconductors kappa-(BEDT-TTF)2X

Ross H. McKenzie|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 1998

Organic and Molecular Conductors Research参考文献 6被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、κ-(BEDT-TTF)2X有機超伝導体における強い電子相関の電子的挙動を記述するため、1サイトあたり1電子を有する異方的三角格子上の Hubbard モデルを提案する。このモデルは、観測された低い有効フェルミエネルギー（約100 K）、磁気的フレスタション、および金属-絶縁体転移に近接していることと整合し、実験で観測された非摂動的金属的および超伝導的性質を説明する。

ABSTRACT

The fascinating electronic properties of the family of layered organic molecular crystals kappa-(BEDT-TTF)2X where X is an anion (e.g., X=I3, Cu[N(CN)2]Br, Cu(SCN)2) are reviewed. These materials are particularly interesting because of similarities to the high-$T_c$ cuprate superconductors including unconventional metallic properties and competition between antiferromagnetism and superconductivity. The temperature dependence of electrical transport, optical, and nuclear magnetic resonance properties deviate significantly from those of a conventional metal. In particular, there appears to be an effective Fermi energy of the order of 100 K which is an order of magnitude smaller than predicted by band structure calculations. The results of quantum chemistry calculations suggest that a minimal theoretical model that can describe these materials is a Hubbard model on an anisotropic triangular lattice with one electron per site. Appropriate parameter values for the model imply that the electronic correlations are strong, significant magnetic frustration is present, and the system is close to a metal-insulator transition. Insight into the physics of this model can be obtained from recent studies of the Hubbard model using a dynamical mean-field approximation. They are consistent with a low effective Fermi energy and the unconventional temperature dependence of many of the properties of the metallic phase. Future directions are suggested for both theoretical and experimental studies.

研究の動機と目的

• κ-(BEDT-TTF)2X有機超伝導体の非摂動的電子的性質を説明すること。これは、従来の金属的挙動とは著しく異なる。
• 実験的に観測された有効フェルミエネルギー（約100 K）と理論的バンド構造予測との間の乖離を解明すること。
• 強い電子相関、磁気的フレスタション、金属-絶縁体転移に近接する状態を捉える最小限の理論的モデルを同定すること。
• 光学的、輸送的、NMR 測定結果と整合する理論的枠組みを提供すること。
• 強相関有機超伝導体に関する今後の理論的および実験的研究を導くこと。

提案手法

• 電子状態を記述するため、1サイトあたり1電子を有する異方的三角格子上の最小限の Hubbard モデルを採用する。
• 量子化学計算を用いて、有効モデルのパラメータを決定する。これには、局所的クーロン反発項（U）および hopping 积分（t）が含まれる。
• Hubbard モデルを解くために動的平均場理論（DMFT）近似を適用し、その低エネルギー物理学を分析する。
• モデルの予測を、電気的輸送、光学的伝導度、および核スピン磁気共鳴（NMR）応答に関する実験データと比較する。
• 磁気的フレスタションと電子相関の強さが、金属-絶縁体転移に近接する状態の決定に果たす役割を評価する。
• 抵抗率やスピン感受率の異常な温度依存性を解釈するために、モデルを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バンド構造計算でははるかに高い値が予測されるにもかかわらず、κ-(BEDT-TTF)2X材料における有効フェルミエネルギーがなぜ約100 Kにしか見えないのか。
• RQ2 強い電子相関と磁気的フレスタションが、これらの有機超伝導体の電子的性質に及ぼす影響はどの程度か。
• RQ3 異方的三角格子上の Hubbard モデルは、観測された非摂動的金属的および超伝導的挙動をどのように説明できるか。
• RQ4 動的平均場近似は、この系の低エネルギー物理学を説明するために果たす役割は何か。
• RQ5 系は金属-絶縁体転移にどの程度近いか。そして、超伝導性に及ぼす影響は何か。

主な発見

• κ-(BEDT-TTF)2Xにおける有効フェルミエネルギーは約100 Kであると判明し、バンド構造計算による予測値よりも1桁小さい。
• 量子化学計算は、強い電子相関、顕著な磁気的フレスタション、金属-絶縁体転移に近接する状態を示すパラメータを有する Hubbard モデルを支持する。
• Hubbard モデルの動的平均場理論（DMFT）解は、実験的に観測された輸送関数および応答関数の非摂動的温度依存性を再現する。
• モデルは、フェルミ液体挙動からの光学的および NMR データのずれを説明し、金属相における非フェルミ液体的特性を示唆する。
• 系は反強磁性と超伝導性の競合を示し、高Tc銅酸化物と同様の基礎的物理を示唆する。
• 結果から、従来のバンド理論が失敗する強相関領域に、有機超伝導体が位置していることが示唆され、多体理論的手法の必要性が示される。