[論文レビュー] Dressing due to correlations strongly reduces the effect of electron-phonon coupling

Yau-Chuen Yam, G. A. Sawatzky+1 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 49被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、ドーピングされた銅酸化物などの強い電子相関系において、相関効果によるクーリング（correlation dressing）のため、電子-フォノン結合が準粒子に与える影響が著しく小さくなることを示している。三バンドEmeryモデルをUdd → ∞極限に投影することで、裸のホール-フォノン結合が強いにもかかわらず、相関効果によって修飾された準粒子の有効質量はわずかに増加するにとどまり、有効結合が弱いことを示している。これは、準粒子状態の多体再正則化に起因する抑制効果である。

ABSTRACT

We investigate the difference between the coupling of a bare carrier to phonons versus the coupling of a correlations-dressed quasiparticle to phonons, and show that latter may be weak even if the former is strong. Specifically, we analyze the effect of the hole-phonon coupling on the dispersion of the quasiparticle that forms when a single hole is doped into a cuprate layer. To model this, we start from the three-band Emery model supplemented by the Peierls modulation of the $p$-$d$ and $p$-$p$ hoppings due to the motion of O ions. We then project onto the strongly correlated $U_{dd} ightarrow \infty$ limit where charge fluctuations are frozen on the Cu site. The resulting effective Hamiltonian describes the motion of a doped hole on the O sublattice, and its interactions with Cu spins and O phonons. We show that even though the hole-phonon coupling is moderate to strong, it leads to only a very minor increase of the quasiparticle's effective mass as compared to its mass in the absence of coupling to phonons, consistent with a weak coupling to phonons of the correlations-dressed quasiparticle. We explain the reasons for this suppression, revealing why it is expected to happen in any systems with strong correlations.

研究の動機と目的

• 裸のキャリアの電子-フォノン結合と相関効果によって修飾された準粒子の電子-フォノン結合の違いを明確にすること。
• ドーピングされた銅酸化物層におけるホール-フォノン結合が準粒子分散に与える影響を調査すること。
• 強い相関がある状況で、有効電子-フォノン結合がなぜ著しく抑制されるのかを説明すること。
• 裸の結合が強い場合でも、準粒子の有効質量がほとんど変化しないことを実証すること。
• 他の強い相関系材料にも適用可能な一般化された結合抑制のメカニズムを提供すること。

提案手法

• Oイオンの運動を反映するため、ペイエルス歪みを含む三バンドEmeryモデルを出発点とする。
• Udd → ∞極限に投影することで、Cuサイト上の電荷フラクチュエーションを凍結し、Oサブラティス上での有効ハミルトニアンを導出する。
• 得られた有効理論において、ドーピングされたホールをCuスピンおよびOフォノンと相互作用する準粒子としてモデル化する。
• 解析的および数値的手法を用いて、準粒子分散および有効質量を計算する。
• 有効質量をフォノン結合ありとなしで比較し、抑制効果を定量的に評価する。
• 多体相関が電子-フォノン頂点を再正則化し、有効結合強度を低下させる役割を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い相関系における準粒子の有効質量に、電子-フォノン結合がどのように影響を与えるか？
• RQ2 相関効果によって修飾された準粒子のフォノンへの有効結合が、裸のキャリアのそれよりも著しく弱いのはなぜか？
• RQ3 Udd → ∞極限が、ホール-フォノン相互作用が準粒子の性質に与える影響をどの程度抑制するか？
• RQ4 Zhang-Rice状態と3スピンポラロン状態のどちらがフォノン結合を媒介するか？
• RQ5 電子-フォノン結合の抑制は、他の強い相関系材料にも一般化可能か？

主な発見

• 中程度から強い裸のホール-フォノン結合があるにもかかわらず、フォノン結合時の準粒子の有効質量はわずかに増加するにとどまる。
• 電子-フォノン結合の抑制は、準粒子の多体的ドレッシングによって生じ、結合頂点の再正則化に起因する。
• 相関効果によって修飾された準粒子は、裸のキャリアが強い結合をしているにもかかわらず、実際には弱い結合に近い挙動を示す。
• この抑制は銅酸化物に特有の現象ではなく、強い相関系の一般的特徴である。
• 実験的に強い電子-フォノン結合の兆候が高温超伝導体ではしばしば弱いか、まったく観測されない理由を説明できる。
• 本研究は、銅酸化物における電子-フォノン結合に関する矛盾する実験的観察を統合する理論的枠組みを提供する。