[論文レビュー] Power Law Liquid - A Unified Form of Low-Energy Nodal Electronic Interactions in Hole Doped Cuprate Superconductors

T. J. Reber, Xingjiang Zhou+14 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、ドーピングに依存するべき乗法則に従う散乱率を示す、穴ドープカップレート超伝導体における低エネルギーノーダル電子散乱の統一的フォノメノロジカル記述である「パワー法則液体」（PLL）モデルを導入する。このモデルは、擬似ギャップスケールおよび顕著な量子臨界性を含む広範なドーピングおよび温度範囲における光学および抵抗率データを成功裏に再現し、アンチノードル擬似ギャップの直接的関連性を必要としない。

ABSTRACT

The strange-metal phase of the cuprate high temperature superconductors, above where the superconductivity sets in as a function of temperature, is widely considered more exotic and mysterious than the superconductivity itself. Here, based upon detailed angle resolved photoemission spectroscopy measurements of Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_8$$_+$$_δ$ over a wide range of doping levels, we present a new unifying phenomenology for the non-Fermi liquid normal-state interactions (scattering rates) in the nodal direction. This new phenomenology has a continuously varying power law exponent (hence named a Power Law Liquid or PLL), which with doping varies smoothly from a quadratic Fermi Liquid to a linear Marginal Fermi Liquid and beyond. Using the extracted PLL parameters we can calculate the optics and resistivity over a wide range of doping and normal-state temperature values, with the results closely matching the experimental curves. This agreement includes the presence of the $"$pseudogap$"$ temperature scale observed in the resistivity curves including the apparent quantum critical point. This breaks the direct link to the pseudogapping of antinodal spectral weight observed at similar (but here argued to be different) temperature scales, and also gives a new direction for searches of the microscopic mechanism at the heart of these and perhaps many other non-Fermi-liquid systems.

研究の動機と目的

• 穴ドープカップレート超伝導体の非フェルミ液体状態における相互作用を統一的フォノメノロジカル記述すること。
• 抵抗率において観察される擬似ギャップ温度スケールの起源を、アンチノードルスペクトル重みの抑制と直接結びつけず説明すること。
• ドーピングに応じて散乱率の進化を捉える単一のフレームワークを提供すること。
• 抽出されたPLLパラメータを用いて、広範なドーピングおよび温度範囲における実験的光学および抵抗率データを再現すること。
• 高温超伝導体における非フェルミ液体行動の微視的メカニズムを特定するための新たな道筋を提示すること。

提案手法

• Bi2Sr2CaCu2O8+δにおけるノーダル準粒子散乱率を、広範なドーピングレベルにわたり角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて測定した。
• 散乱率をエネルギーおよび温度のべき乗関数としてモデル化し、指数がドーピングに連続的に変化することを仮定した。
• 抽出されたべき乗法則パラメータを用いて、自己無撞着な輸送モデルを通じて光学伝導度および抵抗率を計算した。
• 計算された抵抗率および光学曲線を複数のドーピングレベルで実験データと比較することで、モデルの妥当性を検証した。
• 散乱がストレンジメタル行動に最も関連するノーダル方向に焦点を当てた。
• アンチノードルスペクトル重みがまだ抑制されていない場合でも、抵抗率における観察された擬似ギャップスケールがモデルで再現された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 穴ドープカップレートにおける全ドーピング範囲にわたり、ノーダル散乱率の進化を1つのフォノメノロジカルモデルが記述可能か？
• RQ2 抵抗率における擬似ギャップ温度スケールは、アンチノードルスペクトル重みの抑制と直接関連しているか？
• RQ3 ドーピングに依存するべき乗法則を用いた散乱率により、異なるドーピングレベルにおける抵抗率および光学応答を定量的に再現可能か？
• RQ4 2次的フェルミ液体から線形的マージナナルフェルミ液体への遷移は、量子臨界点に対応するか？
• RQ5 ノーダル電子的相互作用は、超伝導転移温度より上でのストレンジメタル行動を決定づける役割を果たすか？

主な発見

• ノーダル散乱率はドーピングに依存するべき乗法則に従い、穴ドーピングが増加するに従い、指数が2次的（フェルミ液体）から線形的（マージナナルフェルミ液体）およびそれ以上へ滑らかに変化する。
• 抽出されたべき乗法則パラメータは、全測定ドーピングレベルにおける光学伝導度および抵抗率の温度およびドーピング依存性を成功裏に再現した。
• アンチノードルスペクトル重みがまだ抑制されていない場合でも、抵抗率における擬似ギャップスケールをモデルが捉え、このスケールがアンチノードル物理学から分離されていることを示唆した。
• 抵抗率において観察された顕著な量子臨界点は、PLLフレームワーク内ですでに自然に再現され、アンチノードル擬似ギャップの直接的関連性を必要としなかった。
• PLLモデルは、低エネルギーにおけるノーダル相互作用を統一的に記述し、カップレートにおける非フェルミ液体行動の微視的起源を探索する新たな道筋を提供した。
• モデルは、ノーダル散乱ダイナミクスそのものが、主要な輸送異常を説明可能であることを示唆し、擬似ギャップを説明するためアンチノードル秩序が必須であるという仮定に疑問を呈した。