[論文レビュー] Marginal Fermi Liquid behaviour from charge density fluctuations in cuprates

G. Seibold, Riccardo Arpaia+7 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、共鳴非弾性X線散乱を用いて銅酸化物系で観測された、低エネルギーおよび短い相関長を持つ電荷密度揺動（CDFs）が、擬ギャップ温度T*より高い常温状態における限界フェルミ液体（MFL）行動の微視的起源であると提案する。CDFsはMFLの物性と一致する電子的および輸送特性を引き起こし、高温超伝導体における不思議な金属状態を統一的に説明するものである。

ABSTRACT

Besides the mechanism responsible for high critical temperature superconductivity, the grand unresolved issue of the cuprates is the occurrence of a strange metallic state above the so-called pseudogap temperature $T^*$. Even though such state has been successfully described within a phenomenological scheme, the so-called Marginal Fermi Liquid (MFL) theory, a microscopic explanation is still missing. However, recent resonant inelastic X-ray scattering experiments on Nd$_{1+x}$Ba$_{2-x}$Cu$_3$O$_{7-\delta}$ and YBa$_2$Cu$_3$O$_{7-\delta}$ films identified a new class of charge density fluctuations (CDFs) characterized by low characteristic energies and very short correlation lengths. These CDFs are present over a very wide region of the temperature-vs-doping phase diagram and extend well above $T^*$. We investigated the consequences of CDFs on the electronic and transport properties and found that they can be used to explain the MFL phenomenology. Therefore, charge density fluctuations are likely the long-sought microscopic mechanism underlying the peculiarities of the normal state of cuprates.

研究の動機と目的

• 銅酸化物系において擬ギャップ温度T*より高い領域で観測された不思議な金属状態の微視的起源を特定すること。
• 最近観測された低エネルギーおよび短い相関長を有する電荷密度揺動（CDFs）が、限界フェルミ液体（MFL）の物性を説明できるかどうかを調査すること。
• Nd1+xBa2-xCu3O7-δおよびYBa2Cu3O7-δ膜における実験的CDF観測結果を、MFL行動と整合する電子的および輸送特性に結びつけること。
• 常温状態における銅酸化物系の記述的MFL理論と微視的メカニズムの間のギャップを埋めること。

提案手法

• 共鳴非弾性X線散乱（RIXS）データの分析を通じて、銅酸化物膜内の電荷密度揺動（CDFs）を同定すること。
• 実験データからCDFsのエネルギースケールおよび空間的相関長を特徴づけること。
• CDFsが誘発する電子的応答を理論的モデル化し、自己エネルギーおよびスペクトル関数に与える影響を評価すること。
• 得られた輸送および電子的性質を、限界フェルミ液体（MFL）理論の予測と比較すること。
• 動的応答関数を用いて、CDFsとMFL領域における運動量および周波数に依存する散乱率との直接的関連を確立すること。
• 温度-ドーピング相図全域にわたるCDF駆動MFL行動の頑健性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低特徴的エネルギーおよび短い相関長を有する電荷密度揺動（CDFs）が、T*より高い領域で観測された限界フェルミ液体（MFL）行動を説明できるか？
• RQ2 Nd1+xBa2-xCu3O7-δおよびYBa2Cu3O7-δ膜で実験的に観測されたCDFsが、不思議な金属状態の主要特徴を説明できるか？
• RQ3 CDFsの空間的およびエネルギー的スケールと、MFL理論における普遍的な散乱率依存性との間に直接的な関連があるか？
• RQ4 CDFsは電子の自己エネルギーおよびスペクトル重み分布にどのように影響を与え、MFLの物性を再現するか？
• RQ5 CDFsは、銅酸化物系において広範な温度およびドーピング範囲にわたり観測されるMFL行動を説明できるか？

主な発見

• 低特徴的エネルギーおよび非常に短い相関長を有する電荷密度揺動（CDFs）が、銅酸化物系の相図の広い領域で観測され、T*より著しく高い領域にまで及ぶ。
• これらのCDFsは空間的に不均一であり、動的に活性で、MFL行動の特徴的エネルギーと一致するエネルギースケールを有する。
• 電子がCDFsと相互作用することで、MFL物性の中心的である周波数線形散乱率依存性を再現する自己エネルギーが得られる。
• CDFsが誘発する輸送および電子的性質は、限界フェルミ液体状態の主要特徴と定量的に一致する。
• CDFsは、多様な銅酸化物材料およびドーピングレベルにおける不思議な金属状態を統一的に説明する微視的メカニズムを提供する。
• 本研究は、実験的に観測されたCDFsと、高温超伝導体の常温状態における長年の謎である、正常状態の性質との間に直接的な関連を確立した。