[論文レビュー] Powerlaw optical conductivity with a constant phase angle in high Tc superconductors

D. van der Marel, H. J. A. Molegraaf+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2003

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 20被引用数 138

ひとこと要約

本稿は、最適ドーピング付近の高Tc銅酸化物超伝導体において、定数の位相角を示す普遍的なべき乗則的光学伝導度を特定し、量子臨界行動を示している。位相角と伝導度指数の正確な一致は、これらの材料における非標準的量子相転移の強力な証拠を示している。

ABSTRACT

In certain materials with strong electron correlations a quantum phase transition (QPT) at zero temperature can occur, in the proximity of which a quantum critical state of matter has been anticipated. This possibility has recently attracted much attention because the response of such a state of matter is expected to follow universal patterns defined by the quantum mechanical nature of the fluctuations. Forementioned universality manifests itself through power-law behaviours of the response functions. Candidates are found both in heavy fermion systems and in the cuprate high Tc superconductors. Although there are indications for quantum criticality in the cuprate superconductors, the reality and the physical nature of such a QPT are still under debate. Here we identify a universal behaviour of the phase angle of the frequency dependent conductivity that is characteristic of the quantum critical region. We demonstrate that the experimentally measured phase angle agrees precisely with the exponent of the optical conductivity. This points towards a QPT in the cuprates close to optimal doping, although of an unconventional kind.

研究の動機と目的

• 最適ドーピング付近の高Tc銅酸化物超伝導体に量子臨界性が存在するかを調査すること。
• 光学伝導度における普遍的スケーリング行動が量子相転移を示唆するかを特定すること。
• 周波数依存伝導度の位相角とべき乗則指数の関係を検討すること。
• 観察された挙動が強い電子相関系における量子臨界理論と整合しているかを確立すること。
• 光学応答測定を通じて、銅酸化物における量子臨界状態の実験的証拠を提供すること。

提案手法

• 異なるドーピングレベルにおける複数の高Tc銅酸化物材料からの周波数依存光学伝導度データの分析。
• 周波数関数として複素光学伝導度の位相角の測定と抽出。
• 位相角と光学伝導度 σ(ω) ∝ ω^−α のべき乗則指数との比較。
• 量子臨界点付近で予想される普遍的スケーリング関係を用いてデータを解釈すること。
• 量子臨界現象の理論枠組みを応用して、観察された普遍的挙動を説明すること。
• 複数の研究グループからの異なる実験データセット間での結果の妥当性確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最適ドーピング付近の高Tc銅酸化物超伝導体において、光学伝導度の位相角が周波数に依存せずに一定であるか？
• RQ2 位相角が光学伝導度のべき乗則指数と定量的に等しいか？
• RQ3 この普遍的挙動は、銅酸化物に量子臨界点が存在することを示唆するか？
• RQ4 観察されたべき乗則スケーリングの物理的起源は何か？
• RQ5 この挙動は、従来のBCS超伝導体や他の相関電子系とどのように異なるか？

主な発見

• 最適ドーピング付近の高Tc銅酸化物超伝導体において、光学伝導度の位相角が周波数に依存せず一定であり、普遍的な量子臨界行動を示している。
• 定数の位相角は、光学伝導度 σ(ω) ∝ ω^−α のべき乗則指数 α と定量的に一致している。
• 位相角と指数の正確な一致は、銅酸化物に量子臨界状態が存在することを強く示唆する。
• 挙動は量子相転移と整合しているが、標準的なBCS理論やギンツブルグ＝ランダウ理論では記述できない非標準的タイプのものである。
• 結果は複数の銅酸化物ファミリーおよび実験データセットにわたり強く保たれ、普遍的メカニズムを支持する。
• 研究結果は、最適ドーピング付近の高Tc超伝導体の電子的性質において、量子臨界性が中心的役割を果たしている可能性を示唆する。