[論文レビュー] Universal features of Thermopower in High Tc systems and Quantum Criticality

Arti Garg, B. Sriram Shastry+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2011

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、高Tcペロブスカイト酸化物における最適ドーピングにおける熱電力の普遍的消滅が、量子臨界点（QCP）を示すものであり、ケルビンの式を通じて熱電力と臨界定常フラクチュエーションを結びつける。1次元モデルにおける正確解を用いて、QCPで熱電力の符号が反転することを示し、OCTHHの普遍性を支持するとともに、エントロピーおよび密度の微分を通じて熱電力と量子臨界性を結びつける。

ABSTRACT

In high Tc superconductors a wide ranging connection between the doping dependence of the transition temperature Tc and the room temperature thermopower Q has been observed. A "universal correlation" between these two quantities exists with the thermopower vanishing at optimum doping as noted by OCTHH (Obertelli, Cooper, Tallon, Honma and Hor). In this work we provide an interpretation of this OCTHH universality in terms of a possible underlying quantum critical point (QCP) at Tc. Central to our viewpoint is the recently noted Kelvin formula relating the thermopower to the density derivative of the entropy. Perspective on this formula is gained through a model calculation of the various Kubo formulas in an exactly solved 1-dimensional model with various limiting procedures of wave vector and frequency.

研究の動機と目的

• OCTHHが観測した高Tcペロブスカイト酸化物における熱電力の消滅と最適ドーピングの間の普遍的相関を説明すること。
• この普遍性が、最適ドーピングにおける背後に潜む量子臨界点（QCP）に起因するかを調査すること。
• ケルビンの式が強相関系において熱電力の熱力学的代理として妥当であるかを検証すること。
• 正確なモデル計算を通じて、熱電力の符号反転を量子臨界性と結びつけること。
• Kubo形式を用いて、熱電力の決定要因としての熱力学的寄与と輸送的寄与の相互作用を評価すること。

提案手法

• 熱電力とエントロピー密度微分との関係を示すケルビンの式 Q_K = (1/q_e)(∂S/∂x)_T,V を用い、熱力学的支配を強調する。
• 対角項および非対角項の相互作用を有する1次元ハッブル型モデルを用い、Kubo式を介して熱電力を正確に計算する。
• Kubo式のスロー（ω→0, q→0）およびファスト（q→0, ω→0）極限を評価し、物理的輸送応答を分離する。
• 応答関数の異なる極限から導かれる4つの異なる熱電力表現を分析し、縦方向電磁応答に焦点を当てる。
• ケルビンの式とKubo式の結果を比較し、一貫性を検証し、物理的熱電力を同定する。
• モデルを用いて、量子臨界点を越えて熱電力の符号変化を検討し、エントロピー最大値およびモットネス崩壊と関連付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高Tcペロブスカイト酸化物における最適ドーピングでの熱電力の消滅は、量子臨界点（QCP）を示すか？
• RQ2 ケルビンの式は、特にQCP近傍において、強相関系における熱電力の振る舞いを正確に捉えることができるか？
• RQ3 QCPを有するモデルにおいて、熱電力の熱力学的寄与と輸送的寄与はどのように相互作用するか？
• RQ4 正確なモデル計算は、実験で観測されたQCPにおける熱電力の符号反転を再現できるか？
• RQ5 さまざまなペロブスカイト酸化物における熱電力の普遍的振る舞いは、量子臨界性に結びつく共通の熱力学的起源によって説明可能か？

主な発見

• ケルビンの式 Q_K = (1/q_e)(∂S/∂x)_T,V は、低温における実験データの符号および大きさと整合する信頼性の高い熱力学的近似を提供する。
• モデルは、量子臨界点（QCP）で明確な熱電力の符号反転を示し、熱電力が最適ドーピングで消えるという実験的OCTHH普遍性と一致する。
• 4つのKubo式から導かれた熱電力表現の中で、縦方向電磁応答（Q1およびQ2のスローおよびファスト極限）からのものだけが物理的に意味を持つ。これは実験的測定条件に対応する。
• 横方向磁場極限（Q3およびQ4）では、すべてのドーピング状態で熱電力が正のまま維持されるため、符号反転は縦方向応答のみが捉えていることが示される。
• モデルは、QCPがエントロピーの最大値を示すことに合致しており、これにより熱電力の符号反転と量子臨界性の間の関連が強化される。
• ケルビンの式と実験的熱電力および比熱データとの一致は完璧ではないが、高Tc系における量子臨界行動の探査にその有用性を確認する。