[논문 리뷰] Analysis of the Quasiparticle Spectral Function in the Underdoped Cuprates

Maxim Khodas, Huanan Yang외 4명|arXiv (Cornell University)|2010. 07. 27.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 열역학적 불확실성 하에서 underdoped cuprates의 Fermi 포켓의 안정성을 수정된 YRZ 준입자 스펙트럼 함수 접근법을 사용하여 조사한다. RVB 갭을 비율 법칙에 따라 상관관계가 있는 임계 Ising 순서 매개변수로 간주함으로써, 포켓이 불확실성에도 불구하고 유지됨을 보여주며, 상관 지수를 두 배로 늘였을 때 스펙트럼 폭이 실험적 ARPES 데이터와 일치한다. 이방성 억제된 준입자 피크는 관측된 Fermi 아크를 재현한다.

ABSTRACT

We applied the approach of K.-Y. Yang, T. M. Rice and F.-Ch. Zhang (YRZ) to analyze the high resolution angular resolved photo-emission spectroscopy (ARPES) data in BiSCO obtained recently at Brookhaven. In the YRZ ansatz a constant RVB gap is assumed which leads to Luttinger zeros along the antiferromagnetic Brillouin zone (AFBZ) and four Fermi pockets centered on the nodal directions. We relax the assumption of a constant RVB gap function, treating it as a Ising order parameter accompanied by thermal fluctuations. If these thermal fluctuations are very strong leading to strictly short range correlations in the spatial dependence of the RVB gap, then the reconstruction of the Fermi surface into pockets will not survive. We examined the intermediate case of critical fluctuations leading to a power law falloff of the RVB gap correlations. To this end we followed the analysis recently developed by two of us to treat the effect of the power law correlations in the antiferromagnetic 2-dimensional xy model on the single electron Green's function. The partial truncation of the Fermi surface to form pockets survives in the presence of power law correlations. The linewidth of the quasiparticle peaks increases with the exponent of the power law correlations. If this exponent is set at the value of critical fluctuations in the 2-dimensional Ising model a relatively small linewidth is obtained. If this exponent is doubled, a linewidth comparable to the values found in recent ARPES experiments on underdoped BiSCO (Tc = 65 K) at T = 140K was obtained. The anisotropic suppression of the quasiparticle peak around the Fermi pockets hides the back side of the pockets closest to the AFBZ to give essentially Fermi arcs seen experimentally.

연구 동기 및 목표

• Thermal fluctuations 하에서 underdoped cuprates에서 Fermi 표면 재구성에 의한 포켓의 강건성 평가
• 열역학적 불확실성이 포함된 경우 YRZ 가설(일정한 RVB 갭 기반)이 여전히 유효한지 검토
• 비율 법칙에 따라 상관관계가 있는 RVB 갭이 실험적으로 관측된 준입자 폭과 Fermi 아크 형태를 재현할 수 있는지 확인
• 임계 불확실성(비율 법칙 상관관계)과 단거리 불확실성(장거리 질서 없음)이 Fermi 표면 구조에 미치는 영향을 비교
• 이론적 스펙트럼 특징을 Bi2201의 실험적 ARPES 데이터(T = 140 K, Tc = 65 K)와 연결

제안 방법

• YRZ 가설을 수정하여 일정한 RVB 갭을 공간적으로 상관관계가 있는 Ising 순서 매개변수로 대체
• 열역학적 불확실성을 비율 법칙에 따라 감쇠하는 RVB 갭 함수의 상관관계로 모델링하며, 지수 d가 상관 길이를 조절
• 2D XY 모델에서 유도된 장 이론적 접근법을 사용하여 비율 법칙 상관관계가 있는 갭을 가진 단일 입자 Green 함수 계산
• 자기에너지 형식을 사용하여 준입자 반응의 실수부(분포 이동)와 허수부(폭)를 모두 계산
• 관측된 스펙트럼 폭과 포켓 기하학을 일치시키기 위해 비율 법칙 상관 지수 d를 조정하여 모델을 실험 ARPES 데이터에 적합화
• 타원형 포켓 형태와 Fermi 표면 끝부분 위치를 실험 데이터와 일치시키기 위해 기하학적 적합 절차를 사용하여 에너지 척도 TK 추정

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비율 법칙 상관관계가 있는 열역학적 불확실성이 있는 RVB 갭 하에서 YRZ 가설의 포켓 형성 메커니즘이 유지되는가?
• RQ2 비율 법칙 상관 지수 d가 스펙트럼 함수에서 준입자 폭에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 변동하는 갭으로 인한 준입자 피크의 이방성 억제가 ARPES 실험에서 관측된 Fermi 아크 형태를 재현하는가?
• RQ4 임계 불확실성(d ≈ 0.125)과 더 강한 불확실성(d = 0.25) 간에 스펙트럼 폭 넓이와 포켓 안정성 측면에서 어떤 차이가 있는가?
• RQ5 자기에너지의 실수부와 허수부 중 어떤 것이 불확실성이 존재하는 조건에서 포켓이 유지되는지 결정하는 데 기여하는가?

주요 결과

• 비율 법칙 상관관계가 있는 열역학적 불확실성 하에서도 Fermi 포켓이 유지되어 YRZ 유형의 재구성에 대한 강건성을 보여준다.
• 상관 지수 d를 0.125에서 0.25로 두 배로 늘였을 때 예측된 준입자 폭이 Bi2201에서 T = 140 K일 때의 ARPES 측정값과 일치한다.
• d = 0.125일 경우 폭은 상대적으로 작으며, 2D Ising 모델의 임계 불확실성과 일치한다.
• 포켓 주변의 스펙트럼 강도가 이방성으로 억제되어 AFBZ 근처 영역이 가려지며, 이는 실험적으로 관측된 Fermi 아크를 재현한다.
• 장거리 질서가 없는 조건에서는 자기에너지의 실수부가 없어 포켓이 파괴되지만, 임계 불확실성은 포켓을 유지한다.
• 에너지 척도 TK ≈ 54 meV(d = 0.125)와 TK ≈ 67 meV(d = 0.25)는 모두 페시오갭 에너지 척도 T*와 같은 주기대역이다.