[論文レビュー] Not all doped Mott insulators have a pseudogap: key role of van Hove singularities

Wéi Wú, Mathias S. Scheurer+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 50被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、すべてのドーピングされたモット絶縁体が擬似ギャップを示すわけではないことを示しており、モット性そのものが擬似ギャップを誘発すると仮定する考え方に挑戦している。正方格子および三角格子に対して動的クラスタ近似（DCA）を用いて、著者らは擬似ギャップの有無が、非相互作用バンド構造におけるヴァン・ホーフェ・特異点の位置に強く依存することを示している。散乱率における準粒子ピークの進化を記述する簡単な式が得られており、これは擬似ギャップが揺らぐ反強磁性秩序のヒッグスモードであるというSU(2)ゲージ理論と整合的である。

ABSTRACT

The Mott insulating phase of the parent compounds is frequently taken as starting point for the underdoped high-$T_c$ cuprate superconductors. In particular, the pseudogap state is often considered as deriving from the Mott insulator. In this work, we systematically investigate different weakly-doped Mott insulators on the square and triangular lattice to clarify the relationship between the pseudogap and Mottness. We show that doping a two-dimensional Mott insulator does not necessarily lead to a pseudogap phase. Despite its inherent strong-coupling nature, we find that the existence or absence of a pseudogap depends sensitively on non-interacting band parameters and identify the crucial role played by the van Hove singularities of the system. Motivated by a SU(2) gauge theory for the pseudogap state, we propose and verify numerically a simple equation that governs the evolution of characteristic features in the electronic scattering rate.

研究の動機と目的

• すべてのドーピングされたモット絶縁体が擬似ギャップ状態を示すかどうかを特定すること。
• 非相互作用バンド構造、特にヴァン・ホーフェ特異点の役割が擬似ギャップ形成に与える影響を調査すること。
• 擬似ギャップの出現がモット性または短距離反強磁性相関の必然的結果ではないという仮説を検証すること。
• SU(2)ゲージ理論に基づいて導出された、電子散乱率における準粒子ピークの進化を記述する簡単な式の妥当性を検証すること。

提案手法

• 正方格子および三角格子における2次元 Hubbard モデルを研究するために、動的クラスタ近似（DCA）を適用した。
• 正方格子では実数の最近接遷移を、三角格子では複素数のフラックス依存遷移を用いて、反強磁性交換相互作用を保ちつつバンド分散を調整した。
• 三角格子における位相Φを系統的に変化させ、ヘイゼンベルグ交換相互作用を変更せずにヴァン・ホーフェ特異点の位置をシフトした。
• 単粒子スペクトル関数および電子散乱率を計算し、擬似ギャップの特徴と準粒子ピークを特定した。
• 散乱率における準粒子ピークの進化を記述する簡単な式を提唱し、数値的に検証した。
• 擬似ギャップが局所的反強磁性秩序の大きな方向性フラクチュエーションに関連するヒッグス機構によって生じるというSU(2)ゲージ理論との整合性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モット絶縁体をドーピングしても、バンド構造にかかわらず常に擬似ギャップが生じるのか？
• RQ2 ヴァン・ホーフェ特異点は、ドーピングされたモット絶縁体における擬似ギャップの出現にどのように影響するか？
• RQ3 散乱率における準粒子ピークの進化は、簡単な解析的式で記述可能か？
• RQ4 ドーピングされたモット絶縁体における擬似ギャップ状態は、SU(2)ゲージ理論が予測するように、揺らぐ反強磁性秩序のヒッグスモードと根本的に関連しているか？
• RQ5 強い電子相関とは独立して、非相互作用バンドパラメータが、擬似ギャップ形成にどの程度寄与するか？

主な発見

• 擬似ギャップは、すべてのドーピングされたモット絶縁体に現れるわけではない。その有無は、非相互作用バンド構造におけるヴァン・ホーフェ特異点の位置に強く依存する。
• 正方格子および三角格子の両方で、フェルミ準位がヴァン・ホーフェ特異点の近くにある場合にのみ擬似ギャップが現れ、バンド構造が決定的要因であることが示された。
• 散乱率における準粒子ピークの進化を記述する簡単な式が導出され、数値的に検証された。この式は、擬似ギャップに起因するスペクトル重みの減少を捉えている。
• 擬似ギャップの特性は、揺らぐ反強磁性秩序のヒッグスモードとして生じるSU(2)ゲージ理論と整合的である。
• 本研究では、短距離反強磁性相関だけでは擬似ギャップを誘発するには不十分であり、特にヴァン・ホーフェ特異点の存在を含むバンド構造のトポロジーが本質的であることが示された。
• 数値的結果から、擬似ギャップがドーピングされたモット絶縁体の一般的な特徴ではなく、特定のバンド構造的条件に対する選択的応答であることが確認された。