[논문 리뷰] Momentum-dependent scaling exponents of nodal self-energies measured in strange metal cuprates and modelled using semi-holography

Steef Smit, Enea Mauri외 14명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 13.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 25인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 ARPES를 통해 과도금된 (Pb,Bi)2Sr2-xLa xCuO6+δ 초전도체의 노드 영역에서의 자기에너지에 대한 운동량에 의존하는 스케일링 지수를 규명하였으며, 일정 에너지 절단에서 비로렌츠형 선형형태를 관찰하였다. 실험 데이터는 AdS/CFT 기반의 반하이퍼볼릭 모델에 의해 정량적으로 일치되며, 스케일링 지수 ν_k는 도핑 농도와 운동량에 따라 매끄럽게 변화함을 보여, 고온 초전도체에서 이상 금속 행동의 호로그래픽 기술을 지지한다.

ABSTRACT

The anomalous strange metal phase found in high-$T_c$ cuprates does not follow the conventional condensed-matter principles enshrined in the Fermi liquid and presents a great challenge for theory. Highly precise experimental determination of the electronic self-energy can provide a test bed for theoretical models of strange metals, and angle-resolved photoemission can provide this as a function of frequency, momentum, temperature and doping. Here we show that constant energy cuts through the nodal spectral function in (Pb,Bi)$_{2}$Sr$_{2-x}$La$_x$CuO$_{6+δ}$ have a non-Lorentzian lineshape, meaning the nodal self-energy is $k$ dependent. We show that the experimental data are captured remarkably well by a power law with a $k$-dependent scaling exponent smoothly evolving with doping, a description that emerges naturally from AdS/CFT-based semi-holography. This puts a spotlight on holographic methods for the quantitative modelling of strongly interacting quantum materials like the cuprate strange metals.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 ARPES를 사용하여 이상 금속 초전도체의 노드 영역에서 자기에너지의 운동량 의존성을 측정한다.
• AdS/CFT 기반의 반하이퍼볼릭 모델이 관측된 운동량에 의존하는 스케일링 지수를 정량적으로 기술할 수 있는지 테스트한다.
• 스케일링 지수 ν_k가 도핑 농도와 운동량에 따라 예측된 바와 같이 매끄럽게 변화하는지 확인한다.
• 강한 상관 전자계에서 실험적 스펙트럼 함수와 호로그래픽 그린 함수 사이의 정량적 연결을 확립한다.

제안 방법

• 고해상도 각도분석광전자분광법(ARPES)을 사용하여 (Pb,Bi)2Sr2-xLa xCuO6+δ의 다양한 도핑 농도에서 노드 영역의 스펙트럼 함수를 측정한다.
• 일정 에너지 절단(MDC)을 분석하여 로렌츠형과의 선형형 탈리의 정도를 추출함으로써, 운동량에 의존하는 자기에너지의 존재를 확인한다.
• 반하이퍼볼릭 프레임워크를 적용하여, z=∞인 곡률이 있는 중력 배경에서 디рак 방정식을 통해 페르미온 그린 함수를 유도한다.
• 자기에너지가 G⁻¹(ω,k) ∝ ω(−ω²)^(ν_k−1/2) 형태로 모델링되며, ν_k는 적외색 기하학에 의존하고 디랙 페르미온의 전하 q를 조절함으로써 조절된다.
• 모든 도핑 농도에서 실험적 스펙트럼 강도와 폭을 일치시키기 위해 결합 강도 g_s를 조정한다.
• 모델의 예측을 에너지, 온도, 운동량 전반에 걸쳐 ARPES 데이터와 비교하며, 특히 k_F 근처의 노드 방향에 집중한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 과도금 초전도체의 노드 자기에너지가 주파수와 온도 외에 운동량 의존성을 보이는가?
• RQ2 k-의존성 스케일링 지수를 가진 반하이퍼볼릭 모델이 고정밀 ARPES 데이터를 정량적으로 재현할 수 있는가?
• RQ3 스케일링 지수 ν_k는 k_F에서 멀어질수록 도핑 농도와 운동량에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 관측된 k-의존성 거듭제곱 법칙은 z=∞ 시공간에서의 호로그래픽 양자임계성과 일치하는가?

주요 결과

• (Pb,Bi)2Sr2-xLa xCuO6+δ의 노드 스펙트럼 함수는 일정 에너지 절단에서 비로렌츠형 선형형태를 보이며, 운동량에 의존하는 자기에너지의 존재를 확인한다.
• 스케일링 지수 ν_k는 최적 도핑에서 단위값에서 출발하여 페르미 액체 값인 2로 매끄럽게 증가하지만, 초전도체가 아닌 샘플에서도 여전히 2에 도달하지 못한다.
• 실험 데이터는 디랙 페르미온의 전하 q를 조절함으로써 ν_k를 조절하는 반하이퍼볼릭 모델에 의해 정량적으로 일치되며, α ≈ 1.9q는 도핑에 대한 선형 의존성을 제공한다.
• 자기에너지가 Σ''(ω,k) ∝ (ω²)^ν_k 형태의 거듭제곱 법칙을 따르며, ν_k는 중력 배경의 적외색 기하학에 의해 결정된다.
• 모델은 EF 이하의 넓은 에너지 범위와 k_F에서 멀리 떨어진 운동량에서도 스펙트럼 함수를 성공적으로 재현한다.
• 결과는 z=∞ 호로그래픽 이론에서의 k-의존성 스케일링의 보편성을 지지하며, 반하이퍼볼릭 이론이 이상 금속에 대한 정량적 프레임워크로 유효하다는 것을 검증한다.