[논문 리뷰] Marginal Fermi Liquid behaviour from charge density fluctuations in cuprates

G. Seibold, Riccardo Arpaia외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 24.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고온 초전도체에서 페시거랩 온도 T* 이상의 정상 상태에서 관측된 마진널 페르미 액체(MFL) 거동의 미시적 기원으로, 낮은 에너지와 짧은 상관 길이를 가진 전하 밀도 변동(CDFs)을 제안한다. CDFs는 MFL 현상학과 일치하는 전자적 및 운반성질을 유도하며, 고온 초전도체의 이상한 금속 상태에 대한 통합적 설명을 제공한다.

ABSTRACT

Besides the mechanism responsible for high critical temperature superconductivity, the grand unresolved issue of the cuprates is the occurrence of a strange metallic state above the so-called pseudogap temperature $T^*$. Even though such state has been successfully described within a phenomenological scheme, the so-called Marginal Fermi Liquid (MFL) theory, a microscopic explanation is still missing. However, recent resonant inelastic X-ray scattering experiments on Nd$_{1+x}$Ba$_{2-x}$Cu$_3$O$_{7-\delta}$ and YBa$_2$Cu$_3$O$_{7-\delta}$ films identified a new class of charge density fluctuations (CDFs) characterized by low characteristic energies and very short correlation lengths. These CDFs are present over a very wide region of the temperature-vs-doping phase diagram and extend well above $T^*$. We investigated the consequences of CDFs on the electronic and transport properties and found that they can be used to explain the MFL phenomenology. Therefore, charge density fluctuations are likely the long-sought microscopic mechanism underlying the peculiarities of the normal state of cuprates.

연구 동기 및 목표

• 고온 초전도체에서 페시거랩 온도 T* 이상에서 관측된 이상한 금속 상태의 미시적 기원을 규명하는 것.
• 최근 관측된 낮은 에너지와 짧은 상관 길이를 가진 전하 밀도 변동(CDFs)이 마진널 페르미 액체(MFL) 현상학을 설명할 수 있는지 조사하는 것.
• Nd1+xBa2-xCu3O7-δ 및 YBa2Cu3O7-δ 필름에서의 실험적 CDF 관측 결과를 전자적 및 운반성질과 연결하여 MFL 거동에 일치하는지 확인하는 것.
• 현상론적 MFL 이론과 고온 초전도체의 정상 상태에서의 미시적 메커니즘 사이의 격차를 메우는 것.

제안 방법

• 리조너트 인elastic X-ray scattering(RIXS) 데이터 분석을 통해 고온 초전도체 필름에서 전하 밀도 변동(CDFs)을 규명하는 것.
• 실험 데이터로부터 CDFs의 에너지 척도와 공간적 상관 길이를 특성화하는 것.
• CDFs에 의해 유도된 전자 응답을 이론적으로 모델링하여 자가에너지 및 스펙트럼 함수에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 유도된 운반성질과 전자적 성질을 마진널 페르미 액체(MFL) 이론의 예측와 비교하는 것.
• CDFs와 MFL 영역에서의 운동량 및 주파수 의존성 산란률을 연결하기 위해 동적 응답 함수를 사용하는 것.
• 온도- doping 상도도에서 CDF 기반의 MFL 거동이 얼마나 견고한지 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낮은 특성 에너지와 짧은 상관 길이를 가진 전하 밀도 변동(CDFs)이 고온 초전도체에서 T* 이상에서 관측된 마진널 페르미 액체(MFL) 거동을 설명할 수 있는가?
• RQ2 Nd1+xBa2-xCu3O7-δ 및 YBa2Cu3O7-δ 필름에서 실험적으로 관측된 CDFs가 이상한 금속 상태의 핵심 특징을 설명할 수 있는가?
• RQ3 CDFs의 공간적 척도와 에너지 척도가 MFL 이론에서의 보편적 산란률 의존성과 직접적인 연결이 있는가?
• RQ4 CDFs가 전자 자가에너지와 스펙트럼 무게 분포에 어떻게 영향을 주어 MFL 현상학을 재현하는가?
• RQ5 CDFs가 고온 초전도체에서 관측되는 넓은 온도 및 도핑 범위에서 MFL 거동을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 낮은 특성 에너지와 매우 짧은 상관 길이를 가진 전하 밀도 변동(CDFs)이 고온 초전도체 상도도의 넓은 영역에서 관측되며, T* 이상으로도 연장됨을 확인하였다.
• 이러한 CDFs는 공간적으로 비균일하고 동적으로 활성적이며, MFL 거동의 특성 에너지 척도와 일치함을 확인하였다.
• 전자와 CDFs의 상호작용은 MFL 현상학의 핵심인 주파수 선형 산란률 의존성을 재현하는 자가에너지로 이어짐을 규명하였다.
• CDFs에 의해 유도된 운반성질과 전자적 성질은 마진널 페르미 액체 상태의 핵심 특징을 정량적으로 일치함을 확인하였다.
• CDFs는 다양한 고온 초전도체 물질과 도핑 수준에서 이상한 금속 거동을 설명하는 통합적인 미시적 메커니즘을 제공함을 규명하였다.
• 이 연구는 실험적으로 관측된 CDFs와 고온 초전도체의 정상 상태에서 오랫동안 남아있던 난제 사이에 직접적인 연결 고리를 설정하였다.