[論文レビュー] On the mass enhancement near optimal doping in high magnetic fields in the cuprates

T. Senthil|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、高磁場下において、キュープレートの最適ドーピング近辺で観測される有効質量の増大が、ノード電子パケットのコーナーにおける双方向電荷秩序によって引き起こされる異方的質量再正規化に起因することを提案している。これは、大きなフェルミ表面のホットスポットにおける量子臨界フラクチュエーションによって駆動される。$ z_H > 2 $ の場合、この異方的質量増大は、ゼロ磁場下の輸送特性に顕著な質量発散を要しないまま、観測された $ x \approx 0.18 $ における $ m^* $ 発散を説明する。

ABSTRACT

Recent observation of a mass enhancement in high magnetic fields in nearly optimally doped cuprates poses several puzzles. For the suggested nodal electron pocket induced by bidirectional charge order in high field, we propose that the mass enhancement is very anisotropic around the small Fermi surface. The corners of the pocket are proposed to have a big enhancement without any enhancement along the diagonal nodal direction. A natural mechanism for such angle dependent mass enhancement comes from the destruction of the Landau quasiparticle at hot spots on the large Fermi surface at a proximate quantum critical point. The possibility of a divergent cyclotron effective mass is discussed within a scaling theory for such a quantum critical point. We consider both a conventional quantum critical point associated with the onset of charge order in a metal and an unconventional one where an antinodal pseudogap opens simultaneously with the onset of charge order. The latter may describe the physics of the strange metal regime at zero magnetic field.

研究の動機と目的

• キュープレートの最適ドーピング近辺で高磁場下に顕著な準粒子有効質量 $ m^* $ の増大が観測される一方で、ゼロ磁場下の輸送特性には同様の増大が認められないという謎を解明すること。
• 電荷秩序の発現と他の量子臨界現象の開始と一致する $ x \approx 0.18 $ における $ m^* $ 発散を説明すること。
• 量子振動実験で観測された角度依存の質量増大を説明すること。特に、特定のフェルミ表面領域でのみ顕著な $ m^* $ 増大が観測されることを説明すること。
• アンダードープキュープレートにおける高磁場金属状態の文脈において、従来のと非常な量子臨界点を区別すること。
• ホットスポットにおける量子臨界フラクチュエーションの臨界指数と、サイクロトロン有効質量の発散を結びつけるスケーリング理論を確立すること。

提案手法

• フェルミ表面のホットスポット近くで、非自明な指数 $ z_H $ と $ \alpha_H $ を持つ修正されたスケーリング形を示す電子グリーン関数を有する、量子臨界理論を提唱する。
• ホットスポット近くでフェルミ速度を $ v_F \sim |k_\parallel|^{z_H - 1} $ とし、電子パケットのコーナーでの質量増大を導出する。
• グリーン関数のスケーリング形を用いて、量子振動質量 $ m^*_{QO} \sim \Delta^{2/z_H - 1} $ の寄与を計算し、$ z_H > 2 $ の場合に発散することを示す。
• 従来のと非常な量子臨界点の両方にこのスケーリング理論を適用し、後者には同時に準ギャップと電荷秩序の発現を含める。
• ホットスポットとそれ以外の領域のグリーン関数の一致条件を分析し、有効質量の角度依存性を導出する。
• サイクロトロン質量のフェルミ表面にわたる平均化の役割を検討し、コーナーでの $ m^* $ 増大が観測可能な $ m^*_{QO} $ を支配することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ高磁場下で最適ドーピング近辺に顕著な準粒子有効質量 $ m^* $ の増大が観測されるのか、一方でゼロ磁場下の輸送特性には同様の増大が認められないのか？
• RQ2 $ x \approx 0.18 $ における $ m^* $ 発散は、ゼロ磁場下のARPESおよび輸送測定において質量増大が認められないこととどのように整合するのか？
• RQ3 量子振動実験で観測された異方的質量増大の起源は何か。特に、パケットのコーナーでのみ顕著な $ m^* $ 増大が観測され、ノード方向では顕著でないのはなぜか？
• RQ4 サイクロトロン有効質量が発散するためには、どの臨界指数 $ z_H $ と $ \alpha_H $ が必要か。これは量子臨界点の性質にどのような含意をもたらすか？
• RQ5 高磁場金属状態の性質は、ゼロ磁場下のスランジャスメタルおよび準ギャップ相とどのように関係しているか？

主な発見

• 有効質量増大は顕著に異方的であり、ノード電子パケットのコーナーでのみ顕著な増大が見られるが、ノード方向ではほとんど増大がない。
• 量子振動質量 $ m^*_{QO} $ は、量子臨界指数 $ z_H > 2 $ の場合に発散し、$ x \approx 0.18 $ における観測された $ m^* $ 発散を説明するメカニズムを提供する。
• サイクロトロン有効質量は、ホットスポットにおける臨界フラクチュエーションによって $ v_F $ が抑制されるコーナー領域に支配される。
• スケーリング理論は $ m^*_{QO} \sim \Delta^{2/z_H - 1} $ を予測し、$ z_H > 2 $ の場合に発散が可能である。これは、最適ドーピングにおける $ m^* $ 発散の実験的観測と整合する。
• この理論は、従来のと非常な量子臨界点を区別し、後者は同時に準ギャップと電荷秩序の発現を含む。これは、ゼロ磁場下のスランジャスメタルを記述する可能性がある。
• このモデルは、輸送実験が質量増大を検出しない理由を説明する。なぜなら、異方的 $ m^* $ は、異なるフェルミ表面領域に依存する平均輸送特性に影響しないからである。