[論文レビュー] Momentum-dependent scaling exponents of nodal self-energies measured in strange metal cuprates and modelled using semi-holography

Steef Smit, Enea Mauri+14 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 25被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、高分解能ARPESを用いて、過ドープな(Pb,Bi)2Sr2-xLa xCuO6+δ銅酸化物超伝導体のノード付近自己エネルギーにおける運動量依存性のスケーリング指数を明らかにした。定エネルギー断層における非ローレンツ型の線形形状が観測された。実験データは、AdS/CFTに基づく準ホログラフィックモデルにより定量的に一致し、スケーリング指数ν_kはドーピングおよび運動量に連続的に変化する。これは高温超伝導体におけるスラング・メタルのホログラフィック記述を支持する。

ABSTRACT

The anomalous strange metal phase found in high-$T_c$ cuprates does not follow the conventional condensed-matter principles enshrined in the Fermi liquid and presents a great challenge for theory. Highly precise experimental determination of the electronic self-energy can provide a test bed for theoretical models of strange metals, and angle-resolved photoemission can provide this as a function of frequency, momentum, temperature and doping. Here we show that constant energy cuts through the nodal spectral function in (Pb,Bi)$_{2}$Sr$_{2-x}$La$_x$CuO$_{6+δ}$ have a non-Lorentzian lineshape, meaning the nodal self-energy is $k$ dependent. We show that the experimental data are captured remarkably well by a power law with a $k$-dependent scaling exponent smoothly evolving with doping, a description that emerges naturally from AdS/CFT-based semi-holography. This puts a spotlight on holographic methods for the quantitative modelling of strongly interacting quantum materials like the cuprate strange metals.

研究の動機と目的

• 高分解能ARPESを用いて、スラング・メタルとしての銅酸化物超伝導体におけるノード付近自己エネルギーの運動量依存性を測定すること。
• AdS/CFTに基づく準ホログラフィックモデルが、観測された運動量依存性のスケーリング指数を定量的に記述できるかどうかを検証すること。
• スケーリング指数がドーピングおよび運動量に連続的に変化するかどうか、ホログラフィック理論の予測と一致するかを特定すること。
• 強い電子相関系における実験的スペクトル関数とホログラフィックグリーン関数との間の定量的関係を確立すること。

提案手法

• 高分解能角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、(Pb,Bi)2Sr2-xLa xCuO6+δにおけるドーピングレベルの範囲でノード付近のスペクトル関数を測定した。
• 定エネルギー断層（MDC）を解析し、ローレンツ型からの線形形状のずれを抽出することで、運動量依存性の自己エネルギーを特定した。
• 準ホログラフィックフレームワークを採用し、フェルミオングリーン関数を曲がった重力的背景上でのディラック方程式から導出した。ここでz=∞とする。
• 自己エネルギーはG⁻¹(ω,k) ∝ ω(−ω²)^(ν_k−1/2)としてモデル化され、ν_kはインフラレッド幾何学に依存し、ディラックフェルミオンの電荷qを調整することで制御された。
• 各ドーピングレベルで実験的スペクトル強度とバンド幅に一致するように、結合定数g_sを調整した。
• モデルの予測を、エネルギー、温度、運動量の全範囲にわたるARPESデータと比較した。特にk_F近傍のノード方向に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 過ドープな銅酸化物超伝導体のノード付近自己エネルギーは、周波数および温度以外に運動量依存性を示すか？
• RQ2 k依存性のスケーリング指数を持つ準ホログラフィックモデルが、高精度なARPESデータを定量的に再現できるか？
• RQ3 スケーリング指数ν_kは、穴ドーピングおよびk_Fから離れた運動量においてどのように変化するか？
• RQ4 観測されたk依存性のべき乗則は、z=∞時空におけるホログラフィックな量子臨界性と整合的か？

主な発見

• (Pb,Bi)2Sr2-xLa xCuO6+δにおけるノード付近スペクトル関数は、定エネルギー断層で非ローレンツ型の線形形状を示し、運動量依存性の自己エネルギーが確認された。
• スケーリング指数ν_kは、最適ドーピングで1から始まり、フェルミ液体の値2に向かって滑らかに増加するが、非超伝導系でも2に達しない。
• 実験データは、ディラックフェルミオンの電荷qを調整することでν_kを制御する準ホログラフィックモデルにより定量的に一致し、α ≈ 1.9qがドーピングに線形依存する。
• 自己エネルギーは、Σ''(ω,k) ∝ (ω²)^ν_kのべき乗則の形をとり、ν_kは重力的背景のインフラレッド幾何学によって決定される。
• モデルは、EF未満の広いエネルギー範囲およびk_Fから離れた運動量領域においても、スペクトル関数をうまく再現した。
• 結果は、z=∞ホログラフィック理論におけるk依存性スケーリングの普遍性を支持し、準ホログラフィーがスラング・メタルの定量的フレームワークとして有効であることを裏付けた。