[論文レビュー] Pseudogaps and magnetic properties of the two-dimensional t-J model

A. Sherman, Michael Schreiber|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 1998

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ゼロステガレート磁化率制約を用いた修正スピン波理論を用いて、二次元t-J模型の正常状態における電子的および磁気的性質を調査した。穴濃度 0.02 < x < 0.17 および T < 150 K の範囲で、(π,0)近辺の穴スペクトルに擬似ギャップが現れ、準粒子重みの異常およびランゲルの定理の破れを示した。一方、計算されたスピン相関長、緩和時間、スピン感受率は、穴が不足した銅酸化物実験と良好に一致し、磁気励起に擬似ギャップを有する量子無秩序状態の存在を支持する。

ABSTRACT

We apply the modified spin-wave theory with the constraint of zero staggered magnetization to investigate normal-state spectral and magnetic properties of the 2D t-J model in the paramagnetic state. A set of self-energy equations for hole and magnon Green's functions is solved numerically in the self-consistent Born approximation. The constraint can be fulfilled in the ranges of hole concentrations 0.02 &lt; x &lt; 0.17 and temperatures T &lt; 150 K. In this region the hole spectrum differs from a conventional metallic spectrum which is manifested in the variation with x of the quasiparticle weights of states and in the violation of Luttinger's theorem. With decreasing x from x = 0.17 hidden parts appear in the hole Fermi surface which can be interpreted as the opening of a pseudogap near (pi,0). Obtained size, symmetry and concentration dependence of the pseudogap are in agreement with photoemission data in Bi2212. Calculated temperature dependencies of the spin correlation length, spin-lattice relaxation times at the Cu and O sites, and static susceptibility are typical for the quantum disordered regime with a pseudogap in the spectrum of magnetic excitations. These quantities are in qualitative and in some cases in quantitative agreement with experiment in underdoped YBa2Cu3O(6+y). At x &gt; 0.12 the considered phase borders the phase of conventional metal.

研究の動機と目的

• 高温超伝導体の正常状態における擬似ギャップの起源をt-J模型を用いて理解すること。
• 穴ドーピングを伴うパラ磁性相における磁気相関と電子構造の進化を調査すること。
• 擬似ギャップがスピン液体に類似した状態における量子揺らぎおよびスピン-電荷分離によって生じるかどうかを特定すること。
• スピンおよびスペクトル的性質の理論的予測をBi2212およびYBa2Cu3O6+yからの実験データと比較すること。
• ゼロステガレート磁化率制約を用いた修正スピン波理論が、穴が不足した領域を記述する枠組みとして妥当であるかどうかを検証すること。

提案手法

• パラ磁性状態をモデル化するため、ゼロステガレート磁化率を強制する制約を用いた修正スピン波理論を採用した。
• 穴およびスピン波のグリーン関数の自己エネルギー方程式を、自己無撞着ボーン近似で自己無撞着に解いた。
• 数値的手法を用いて、さまざまな穴濃度および温度における準粒子重み、スペクトル関数、スピン相関関数を計算した。
• CuおよびOサイトにおけるスピン格子緩和時間と静的スピン感受率を計算し、実験測定値と比較した。
• ゼロステガレート磁化率条件が物理的に実現可能な範囲 0.02 < x < 0.17 および T < 150 K において制約を適用した。
• フェルミ面の進化をマッピングし、擬似ギャップ形成の兆候として隠れたフェルミ面パッチを同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 穴が不足した条件下で、ゼロステガレート磁化率制約を課したt-J模型が、(π,0)近辺の穴スペクトル関数に擬似ギャップを生成するか？
• RQ2 この制約下で、穴スペクトルにおける準粒子重みおよびランゲルの定理の破れはどのように現れるか？
• RQ3 計算されたスピン相関長、CuおよびOサイトにおけるスピン格子緩和時間、静的感受率が、穴が不足したYBa2Cu3O6+yの実験データとどの程度一致するか？
• RQ4 量子揺らぎが磁気励起スペクトルにおける擬似ギャップの生成に果たす役割は何か？
• RQ5 パラ磁性相において、穴濃度および温度の変化に伴い擬似ギャップはどのように進化するか？

主な発見

• 穴濃度 0.02 < x < 0.17 の範囲で、(π,0)近辺の穴スペクトルに擬似ギャップが開き、xが小さくなるに従いフェルミ面に隠れた部分が現れる。
• 穴状態の準粒子重みはドーピングに強く依存し、非フェルミ液体的挙動およびランゲルの定理の破れを示唆する。
• 計算されたスピン相関長、CuおよびOサイトにおけるスピン格子緩和時間、静的スピン感受率は、穴が不足したYBa2Cu3O6+yからの実験データと定性的・定量的に一致する。
• 擬似ギャップのサイズ、対称性、濃度依存性は、Bi2212における光電子分光測定データと整合的である。
• 系は、T < 150 Kおよびx < 0.17 の範囲で、磁気励起スペクトルに擬似ギャップを有する量子無秩序状態を示し、安定である。
• 指定されたドーピングおよび温度範囲内では、ゼロステガレート磁化率制約が物理的に実現可能であり、スペクトル的および磁気的性質の自己無撞着な計算が可能である。