[論文レビュー] Non-magnetic impurities as probes of insulating and doped Mott insulators in two dimensions

Subir Sachdev, Matthias Vojta|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2000

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、非磁性不純物が二次元モット絶縁体およびドーピングされた高温超伝導体におけるスピンオンの閉じ込めを感受する感受性の高いプローブであると提唱する。スピン-電荷分離と不純物感受率の分析を用いて、低温でCurieに類似した磁気応答がNMRおよびSTM実験で示されるのは、母体モット絶縁体におけるスピンオンの閉じ込めを支持しており、これは脱閉じ込めスピン液体状態とは明確に区別される。

ABSTRACT

We characterize paramagnetic Mott insulators by their response to static, non-magnetic impurities. States with spinon deconfinement (or spin-charge separation) are distinguished from those with spinon confinement by distinct impurity susceptibilities and finite-size spectra. We discuss the evolution of physical properties upon doping to a d-wave superconductor, and argue that a number of recent experiments favor spinon confinement in the reference Mott insulating state.

研究の動機と目的

• 非磁性不純物をプローブとして用いて、スピンオンが閉じ込められているか、脱閉じ込められているかを区別するためのパラメトリックモット絶縁体の研究。
• 特に非磁性不純物における局所的スピンモーメントの持続を説明する、アンダードープカップレートの実験的観察の解釈。
• 観測されたCurieに類似した感受率およびスピン共鳴モードの幅拡大が、母体絶縁状態におけるスピンオンの閉じ込めを示していると主張する。
• 不純物周辺での局所的スピンモーメントの形成と、ドーピングされたモット系における量子臨界性および並進対称性の破れとの関連を結びつける。

提案手法

• 静的な非磁性不純物に対するパラメトリックモット絶縁体の応答を、不純物感受率および有限サイズスペクトルを用いて分析する。
• 異方的交換結合を持つスピンラダー模型を用いて、スピンオンが閉じ込められ、S=1のギャップを持つ集団モードを有する状態を実現する。
• 閉じ込められた相における不純物感受率を導出し、χᵤ = (𝒜Δ)/(πcₓcᵧ) e^(−Δ/T) と表す。低温で指数関数的抑制が生じることを示す。
• ドーピングに伴う物理的性質の変化を比較する：閉じ込められた状態では、局所的スピンモーメントがKondoスクリーニングを受ける量子臨界点を示す。
• 高温超伝導体における弱ドーピングと強ドーピング領域の間の量子相転移を記述するため、Kondoに類似したハミルトニアンを適用する。
• 理論的モデルを用いて、BSCCOにおけるZn不純物近傍でのSTMトンネル電流の異常を定量的に再現する。これは局所的スピンモーメントの形成と整合的である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モット絶縁体が非磁性不純物に対して示す応答は、スピンオンが閉じ込められている状態と脱閉じ込められている状態とをどのように区別できるか？
• RQ2 ドーピングされたカップレートにおいて、母体モット絶縁体がスピンオンを閉じ込めた状態にあるという実験的兆候は何か？
• RQ3 なぜNMR実験では、アンダードープYBCOにおけるLi不純物に対してCurieに類似した感受率が観測されるのか、超伝導状態であっても？
• RQ4 超伝導体におけるスピン共鳴モードは、絶縁体状態におけるS=1励起とどのように関係しているか？
• RQ5 並進対称性の破れおよび結合中心のストライプは、絶縁体および軽微にドーピングされた相において果たす役割は何か？

主な発見

• 閉じ込められたスピンオン相における不純物感受率は、χᵤ = (𝒜Δ)/(πcₓcᵧ) e^(−Δ/T) に従い、低温で指数関数的抑制が生じる。
• アンダードープYBCOにおけるLi不純物のNMRで観測されたCurieに類似した感受率は、T=0で局所的S=1/2モーメントが存在することを直接的証明する。
• Znドーピングに伴うスピン共鳴モードの幅拡大は、不純物近傍に未対スピンモーメントが存在することによって説明され、スピンオンの閉じ込めを支持する。
• BSCCOにおけるZn不純物近傍での準粒子トンネル電流のSTMデータは、局所的スピンモーメントを有するKondoに類似したモデルによって定量的に再現可能である。
• 弱ドーピングと強ドーピング領域を分かつ量子臨界点は、局所的S=1/2モーメントがギャップレスボゴリューボフ準粒子と結合するKondoハミルトニアンによって記述される。
• 閉じ込められた絶縁体では、結合中心のストライプによる並進対称性の破れが予想され、軽微にドーピングされた超伝導体にもそれが残存する可能性があり、光電子分光データによる実験的裏付けがある。