[논문 리뷰] Dressing due to correlations strongly reduces the effect of electron-phonon coupling

Yau-Chuen Yam, G. A. Sawatzky외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 13.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 49인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 강한 전자 상관성이 있는 시스템, 예를 들어 도핑된 쿠퍼레이트에서 전자-음향모드 결합이 상관관계에 의해 뒤덮인 상태에서 크게 감소함을 보여준다. Udd → ∞ 근사에서 투명한 삼성자 Emery 모형을 적용하여, 비록 순수한 구멍-음향모드 결합이 강하지만, 상관관계에 의해 뒤덮인 준입자의 효과적 질량은 약간만 증가함을 보이며, 이는 약한 효과적 결합을 의미한다. 이는 다체 재정렬에 기인한 억제 현상이다.

ABSTRACT

We investigate the difference between the coupling of a bare carrier to phonons versus the coupling of a correlations-dressed quasiparticle to phonons, and show that latter may be weak even if the former is strong. Specifically, we analyze the effect of the hole-phonon coupling on the dispersion of the quasiparticle that forms when a single hole is doped into a cuprate layer. To model this, we start from the three-band Emery model supplemented by the Peierls modulation of the $p$-$d$ and $p$-$p$ hoppings due to the motion of O ions. We then project onto the strongly correlated $U_{dd} ightarrow \infty$ limit where charge fluctuations are frozen on the Cu site. The resulting effective Hamiltonian describes the motion of a doped hole on the O sublattice, and its interactions with Cu spins and O phonons. We show that even though the hole-phonon coupling is moderate to strong, it leads to only a very minor increase of the quasiparticle's effective mass as compared to its mass in the absence of coupling to phonons, consistent with a weak coupling to phonons of the correlations-dressed quasiparticle. We explain the reasons for this suppression, revealing why it is expected to happen in any systems with strong correlations.

연구 동기 및 목표

• 강한 상관성이 있는 시스템에서 순수한 전자-음향모드 결합과 상관관계에 의해 뒤덮인 준입자의 전자-음향모드 결합 간의 차이를 명확히 하기.
• 도핑된 쿠퍼레이트 계면에서 구멍-음향모드 결합이 준입자 분산에 미치는 영향을 조사하기.
• 강한 상관관계가 존재할 경우 효과적 전자-음향모드 결합이 왜 크게 억제되는지 설명하기.
• 순수 결합이 강할지라도 준입자의 효과적 질량이 거의 변화하지 않음을 보여주기.
• 다른 강한 상관성이 있는 물질에도 적용 가능한 일반적인 결합 억제 메커니즘 제공하기.

제안 방법

• O 이온의 운동을 포함하기 위해 페일러스 변형 터널링을 포함한 삼성자 Emery 모형에서 출발하기.
• Udd → ∞ 근사에 따라 Cu 이온의 전하 변동을 고정하고 산화물 하위격자에서의 효과적 해밀토니안을 도출하기.
• 결과로 얻어진 효과적 이론에서 도핑된 구멍을 Cu 스핀과 O 음향모드와 상호작용하는 준입자로 모델링하기.
• 해석적 및 수치적 기법을 사용하여 준입자 분산과 효과적 질량 계산하기.
• 효과적 질량을 음향모드 결합 유무에 따라 비교하여 억제 효과 정량화하기.
• 다체 상관관계가 준입자 상태의 재정렬을 통해 전자-음향모드 정점의 재정렬과 효과적 결합 강도 감소에 기여하는 역할 분석하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 상관성이 있는 시스템에서 전자-음향모드 결합은 준입자의 효과적 질량에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 왜 상관관계에 의해 뒤덮인 준입자의 효과적 결합은 순수한 입자에 비해 훨씬 약한가?
• RQ3 Udd → ∞ 근사가 구멍-음향모드 상호작용이 준입자 성질에 미치는 영향을 어느 정도 억제하는가?
• RQ4 Zhang-Rice 쌍과 3스핀 폴라론 상태는 어떻게 음향모드 결합을 매개하는가?
• RQ5 전자-음향모드 결합의 억제 현상은 다른 강한 상관성이 있는 물질로 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 비록 순수한 구멍-음향모드 결합이 중간 정도로 강하더라도, 음향모드에 결합된 준입자의 효과적 질량은 약간만 증가한다.
• 전자-음향모드 결합의 억제 현상은 준입자가 다체적으로 뒤덮임으로써 발생하며, 이는 결합 정점의 재정렬에 기인한다.
• 상관관계에 의해 뒤덮인 준입자는 비록 순수 입자와의 결합이 강하더라도, 마치 약한 결합을 하는 것처럼 행동한다.
• 이러한 억제 현상은 쿠퍼레이트에 국한되지 않고 강한 상관성이 있는 시스템의 일반적 특성이다.
• 실험적으로 강한 전자-음향모드 결합의 신호가 고온 초전도체에서 자주 약하거나 나타나지 않는 이유를 설명한다.
• 이 연구는 쿠퍼레이트에서 전자-음향모드 결합에 대한 상충되는 실험 관측 결과를 설명할 수 있는 이론적 프레임워크를 제공한다.