[論文レビュー] Doping a Mott Insulator: Physics of High Temperature Superconductivity

Patrick A. Lee, Naoto Nagaosa+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2004

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、銅酸化物系における高臨界温度超伝導性がモット絶縁体をドーピングすることで生じるのだと提案しており、仮想ギャップ相はSU(2)スレーブボソンゲージ理論で記述される量子スピン液体状態に起因するとする。リゾネーティングバリエンスボンド（RVB）像を導入し、ドーピングされたモット状態におけるゲージ揺動が、フェルミアーク、仮想ギャップ、d波超伝導性といった主要な特徴を説明できることを示しており、対称性の破れ理論を越えた統一的枠組みを提供する。

ABSTRACT

This article reviews the effort to understand the physics of high temperature superconductors from the point of view of doping a Mott insulator. The basic electronic structure of the cuprates is reviewed, emphasizing the physics of strong correlation and establishing the model of a doped Mott insulator as a starting point. A variety of experiments are discussed, focusing on the region of the phase diagram close to the Mott insulator (the underdoped region) where the behavior is most anomalous. We introduce Anderson's idea of the resonating valence bond (RVB) and argue that it gives a qualitative account of the data. The importance of phase fluctuation is discussed, leading to a theory of the transition temperature which is driven by phase fluctuation and thermal excitation of quasiparticles. We then describe the numerical method of projected wavefunction which turns out to be a very useful technique to implement the strong correlation constraint, and leads to a number of predictions which are in agreement with experiments. The remainder of the paper deals with an analytic treatment of the t-J model, with the goal of putting the RVB idea on a more formal footing. The slave-boson is introduced to enforce the constraint of no double occupation. The implementation of the local constraint leads naturally to gauge theories. We give a rather thorough discussion of the role of gauge theory in describing the spin liquid phase of the undoped Mott insulator. We next describe the extension of the SU(2) formulation to nonzero doping. We show that inclusion of gauge fluctuation provides a reasonable description of the pseudogap phase.

研究の動機と目的

• 銅酸化物系における高温超伝導性が、モット絶縁体をドーピングすることで生じることを理解すること。
• 特に仮想ギャップ現象を特徴とする、ドーピング不足領域における異常な常態の振る舞いを説明すること。
• 量子スピン液体秩序とゲージ理論に基づく、仮想ギャップ相の微視的理論を提供すること。
• d波超伝導性、スピン液体物理学、位相揺動を一つの理論枠組みで統一すること。
• スピン液体起源の仮想ギャップを区別する実験的シグネチャ、例えば軌道的電流秩序やヴォルテックスコア構造を提案すること。

提案手法

• 強い電子相関を組み込んだドーピングモット絶縁体の出発ハミルトニアンとして、t-Jモデルを用いる。
• 二重占有禁止制約を満たすためにSU(2)スレーブボソン形式を適用し、発現するゲージ理論を導出する。
• 平均場理論とゲージ揺動解析を用いて、スタグネートフラックス液体相と仮想ギャップとの関係を記述する。
• 強い相関制約を数値的に実装するためのプロジェクション波動関数を導入し、スペクトル関数を予測する。
• 特にネルンスト領域において、Tcを決定づける位相揺動とヴォルテックス励起状態の役割を分析する。
• Ginzburg-Landauおよびσ模型記述を含む有効場理論を導出し、超伝導秩序と集団モードを研究する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーピングされたモット絶縁体がどのように銅酸化物系における高温超伝導性を生じるのか？
• RQ2 ドーピング不足銅酸化物系における仮想ギャップの微視的起源は何か？また、従来のフェルミ液体行動とはどのように異なるか？
• RQ3 リゾネーティングバリエンスボンド（RVB）状態とそのゲージ理論的記述は、観測されたフェルミアークやスペクトル特徴を説明できるか？
• RQ4 ゲージ揺動とトポロジカル秩序は、仮想ギャップ相の安定化とd波超伝導性の実現にどのような役割を果たすか？
• RQ5 仮想ギャップの量子スピン液体起源を、競合する秩序や熱的効果から区別するための実験的シグネチャは何か？

主な発見

• ドーピング不足銅酸化物系の仮想ギャップ相は、発現するU(1)またはSU(2)ゲージ構造を持つステガネートフラックス液体として、最も適切に理解されるべきである。
• SU(2)スレーブボソン形式は自然にスピン・電荷分離と分数化励起状態を導き、ランドーの対称性の破れを越えた新しいタイプの量子秩序を示唆する。
• SU(2)平均場状態におけるゲージ揺動は、(π,π)スピン揺動を強化し、ARPESデータで観測された仮想ギャップおよびフェルミアーク構造を定量的に説明する。
• d波超伝導状態は安定なU(1)スピン液体から生じるため、相図において超伝導性とスピン液体秩序が密接に結びついていることが示唆される。
• プロジェクション波動関数は、単一ホールスペクトル関数やドーピングに伴うフェルミ面がアークに変化する様子といった、主要な実験的特徴を再現する。
• 理論は超伝導状態における新しい集団モードと、ヴォルテックスコアにおける準静的軌道的電流秩序を予測し、基礎となるスピン液体の実験的シグネチャを提供する。