[論文レビュー] Transport in the emergent Bose liquid: Bad metal, strange metal, and weak insulator, all in one system

Tao Zeng, Anthony Hegg+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2021

Advanced Thermoelectric Materials and Devices被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、強相関材料における悪金属、スランシャー金属、弱絶縁体の挙動の共存を、温度依存性光学伝導度を通じて説明するため、発現するボーズ液体（EBL）モデルを提唱する。このモデルは、チェスボード格子上の集団的ボーズ励起状態を記述することで、特徴のない連続スペクトル、頑健な中赤外ピーク、T線形抵抗率といった主要な実験的特徴を再現し、これまで不一致とされてきた輸送現象を一つの量子状態として統一する。

ABSTRACT

Non-saturating high-temperature resistivity ("bad metal"), T-linear low-temperature resistivity ("strange metal"), and a crossover to activation-free growth of the resistivity in the low-temperature limit ("weak insulator") are among the most exotic behaviors widely observed in many strongly correlated materials for decades that defy the standard Fermi liquid description of solids. Here we investigate these puzzling behaviors by computing temperature-dependent optical conductivity of an emergent Bose liquid and find that it reproduces all the unexplained features of the experiments, including a featureless continuum and a well-known mid-infrared peak. Amazingly and with physically intuitive mechanisms, the corresponding doping- and temperature-dependent resistivity displays the bad metal and strange metal simultaneously and sometimes weak insulating behaviors as well. The unification of all these non-Fermi liquid behaviors in a single model suggests that a new quantum state of matter, namely the emergent Bose liquid, will guide the development of the next generation of solid state physics.

研究の動機と目的

• 強相関材料で観測された非フェルミ液体輸送挙動（悪金属、スランシャー金属、弱絶縁体）の長年の謎を解明すること。
• 複数の異常な輸送特性を同時に再現可能な統一された量子状態を同定すること。
• これらの挙動がフェルミオン準粒子ではなく、発現的格子構造における集団的ボーズ励起状態に起因することを示すこと。
• 観測された光学伝導度の特徴（特に温度に依存しない中赤外ピーク幅と広帯域連続スペクトル）を物理的に直感的なメカニズムで説明すること。

提案手法

• 束縛されたホール対からなるチェスボード格子上に、発現するボーズ液体（EBL）モデルを構築し、ボソンが最近接および準近接近隣の間でピボット運動を介して遷移する。
• EBLのバンド構造と状態密度を計算し、ブリユアンゾーンの端に2つのヴァン・ホーブ特異点が存在することが判明し、これが中赤外ピークのエネルギースケールを定義する。
• 非摂動的手法を用いてEBLフレームワーク内で光学伝導度を計算し、ドレーブ型応答と連続スペクトル重みの移動を捉える。
• ドレーブ式を用いて光学伝導度から温度依存抵抗率を導出し、実験と直接比較可能にする。
• スペクトル重みの移動と広がりは、周波数カットオフ以下の統合スペクトル重みの割合を追跡することで分析し、実験的傾向と良好に一致する。
• LSCO、Bi-2212、LaFePO、2H-TaSe2からの実験データと比較することで、モデルの妥当性を検証し、温度およびドーピングにわたる半定量的一致が得られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一つの量子状態が、強相関材料における悪金属、スランシャー金属、弱絶縁体の挙動の共存を説明できるか？
• RQ2 多様な材料に共通する中赤外ピークと広帯域連続スペクトルの背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ3 周囲温度の大きな変動にもかかわらず、低周波数ピーク幅にほとんど温度依存性がないのはなぜか？
• RQ4 フェルミオン準粒子に依存せずに、T線形抵抗率およびモット＝イェフ＝レーゲル限界の破れをどのように説明できるか？
• RQ5 発現するボーズ液体モデルが、ドーピングおよび温度領域にわたって実験的抵抗率およびスペクトル重みの進化をどの程度定量的に再現できるか？

主な発見

• 発現するボーズ液体モデルは、フェルミオン準粒子ではなく集団的ボーズ励起状態による輸送を記述することで、飽和しない高温抵抗率（モット＝イェフ＝レーゲル限界の破れ）を再現する。
• このモデルは広い温度範囲でT線形抵抗率を生成し、カルピネート系、ねじれ二層グラフェン、その他の相関系で観測されたスランシャー金属挙動と一致する。
• 低温では抵抗率が対数的上昇に類似した弱絶縁体的挙動に移行し、LSCOおよびBi-2212での実験的観測と整合する。
• EBLモデルで計算された光学伝導度は、特徴のない連続スペクトルと明確な中赤外ピークを示し、PdTe2およびBi-2212からの実験データと高い忠実度で一致する。
• 周波数カットオフ以下の統合スペクトル重みの割合として定量化されたスペクトル重みの移動の温度依存性は、LSCOおよびBi-2212での実験的傾向と密接に一致する。
• EBLモデルにおけるドレーブ重みは、LSCOの面内抵抗率の良好な擬似適合を提供し、低温で知られたln(1/T)挙動を再現するが、フォノン寄与分はドーピングに依存しないシフトとしてのみ追加される。