[論文レビュー] High-order Van Hove singularities in cuprates and related high-Tc superconductors

R. S. Markiewicz, Bahadur Singh+2 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 28被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、銅酸化物および関連する高Tc超伝導体に高次ヴァン・ホーフェ・特異点（VHS）が存在することを特定し、電子的次元性に起因するこれらの特異点が、状態密度における対数的発散を上回る速い発散を示すことを示している。研究では、VHSの次数と超伝導転移温度（Tc）との間で明確な相関が見られ、高次VHSは高いTcと関連しており、電子相関を強化し、特異な相関状態を安定化させる重要な役割を果たしている可能性がある。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) Van Hove singularities (VHSs) associated with the saddle points or extrema of the energy dispersion usually show logarithmic divergences in the density of states (DOS). However, recent studies find that the VHSs originating from higher-order saddle-points have faster-than-logarithmic divergences, which can amplify electron correlation effects and create exotic states such as supermetals in 2D materials. Here we report the existence of 'high-order' VHSs in the cuprates and related high-Tc superconductors and show that the anomalous divergences in their spectra are driven by the electronic dimensionality of the system being lower than the dimensionality of the lattice. The order of VHS is found to correlate with the superconducting Tc such that materials with higher order VHSs display higher Tc's. We further show that the presence of the normal and higher-order VHSs in the electronic spectrum can provide a straightforward marker for identifying the propensity of a material toward correlated phases such as excitonic insulators or supermetals. Our study opens up a new materials playground for exploring the interplay between high-order VHSs, superconducting transition temperatures and electron correlation effects in the cuprates and related high-Tc superconductors.

研究の動機と目的

• 銅酸化物および高Tc超伝導体材料における高次ヴァン・ホーフェ特異点（VHS）の存在と影響を調査すること。
• 格子次元より低い電子的次元性が、異常な強さのVHS発散を引き起こす仕組みを特定すること。
• さまざまな銅酸化物において、VHSの次数と超伝導転移温度（Tc）との相関関係を明らかにすること。
• 高次VHSが、超伝導金属や励起子絶縁体などの特異な相関状態を示しやすい材料を予測するマーカーとして機能することを確立すること。
• ボソン的VHSが不安定性および相転移（スピンガラスや電荷密度波秩序など）を駆動する役割を調査すること。

提案手法

• 銅酸化物に関連するエネルギーディスパERSIONを模擬するため、物質に特有の hopping パラメータ t′/t と t″/t を用いた t-t′-t″ 結晶場モデルの数値解析。
• 状態密度（DOS）と感受率の計算により、VHS特異点とその発散次数を特定し、(π,π) と Γ 中心 (0,0) のVHSを区別する。
• ドーピングとディスパERSIONの調整に伴うVHSの形状の進化をマッピングし、対数的挙動を上回るべきべき発散を示す高次特異点を検出する。
• 反強磁性（AFM）、スピン密度波（SDW）、電荷密度波（CDW）秩序といった競合する不安定性を理解するために、VHS間およびVHS内スキャッタリング過程を分析する。
• 電子・正孔対を有効ボソンとして扱うことで、ボソン的バンドへのVHS解析を拡張し、有効ディスパERSION関係における高次VHSを同定する。
• ボソン系における有効ディスパERSIONをプロキシとして感受率を用い、励起子的不安定性および相転移を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高次ヴァン・ホーフェ特異点は銅酸化物および関連する高Tc超伝導体に存在するのか。また、対数的スケーリングを上回る強発散を引き起こす要因は何か。
• RQ2 格子次元に対して電子的次元が低い場合、高次VHSの形成と強度にどのような影響を与えるか。
• RQ3 さまざまな銅酸化物系において、VHS特異点の次数と超伝導転移温度（Tc）との間には定量的相関が存在するか。
• RQ4 高次VHSは、超伝導金属や励起子絶縁体などの特異な相関状態を示しやすい材料を識別する普遍的マーカーとして機能できるか。
• RQ5 ボソン的高次VHSは、特にスピンガラスおよび電荷秩序不安定性の文脈で、相転移を駆動する役割を果たすのか。

主な発見

• 電子的次元が格子次元より低いことにより駆動される、べき乗発散を示す高次ヴァン・ホーフェ特異点が銅酸化物に同定された。
• VHS特異点の次数と超伝導転移温度（Tc）との間には正の相関が認められ、Bi2212 や LSCO においては、高次VHSが高Tcと関連している。
• VHS二重性が観察され、(π,π) および Γ 中心 (0,0) の運動量に特異点が存在し、ドーピングおよびディスパERSION調整に伴い独立して変化する。
• ディスパERSIONパラメータ t′/t と t″/t の調整により、高次VHSを示すフラットバンドが生成され、これは不安定性ではなくフラストレーションを誘発する。これは相関効果の微妙なバランスを示している。
• 有効電子・正孔対ディスパERSIONから導かれるボソン的高次VHSは、二次的電子的VHSに類似しており、励起子的相の直接的指標として機能する可能性がある。
• VHS間（近接π,π）とVHS内（長波長）スキャッタリング過程の競合が、複雑に絡んだ秩序の出現および超伝導ドームの閉じる現象を説明でき、特にBi2212においては Tc が x_cross < x_VHS でピークを迎える。