[논문 리뷰] On the dynamic distinguishability of nodal quasi-particles in overdoped cuprates

Kamran Behnia|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 21.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 64인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 과도도핑된 컵레이트에서 이상 금속 행동의 기원이 강한 전자-전자 상호작용으로 인해 노드(quasiparticle)의 동적 가비지성에 기인한다고 제안한다. 과도도핑된 La1.67Sr0.33CuO4에서 전자-전자 충돌률을 고체화 근처의 액체 3He와 비교함으로써, 비정상적으로 큰 산산각률(ℓquad ≈ 240 nm로 정량화됨)이 준위자기성의 붕괴를 초래하고, 이로 인해 T에 선형적인 저항률이 나타나며, 초전도 도메인의 가장자리에서 비페르미 액체 행동의 시작을 알리는 것으로 밝혀졌다.

ABSTRACT

La$_{1.67}$Sr$_{0.33}$CuO$_4$ is not a superconductor and its resistivity follows a purely T$^2$ temperature dependence at very low temperatures. La$_{1.71}$Sr$_{0.29}$CuO$_4$, on the other hand, has a superconducting ground state together with a T-Linear term in its resistivity. The concomitant emergence of these two features below a critical doping is mystifying. Here, I notice that the electron-electron collision rate in the Fermi liquid above the doping threshold is unusually large. The scattering time of nodal quasi-particles expressed in a dimensionless parameter $\zeta$ is very close to what has been found in liquid $^3$He at its melting pressure. In the latter case, fermionic particles become dynamically distinguishable by excess of interaction. Ceasing to be dynamically indistinguishable, nodal electrons will be excluded from the Fermi sea. Such non-degenerate carriers will then scatter the degenerate ones within a phase space growing linearly with temperature.

연구 동기 및 목표

• 비임계 도핑 p ≈ 0.3 근처에서 과도도핑된 컵레이트에서 T선형 저항률과 초전도성의 동시 발생을 설명하기 위해.
• La1.67Sr0.33CuO4가 페르미 액체임에도 불구하고 Kadowaki-Woods 척도에 비해 다섯 배 더 큰 T² 저항률을 보이는 이유를 조사하기 위해.
• 강한 상호작용으로 인해 발생하는 준위입자의 동적 가비지성(동적 가비지성)이 초전도 도메인 가장자리에서 페르미 액체 행동의 붕괴를 설명할 수 있는지 탐구하기 위해.
• 과도도핑된 컵레이트의 전자 행동과 특히 융해 압력 근처에서의 3He의 양자 액체-고체 전이 사이의 유사성을 도출하기 위해.

제안 방법

• Kadowaki-Woods (KW) 플롯에서 A(저항률 계수)와 Sommerfeld 계수 γ를 비교하여 La1.67Sr0.33CuO4의 T² 저항률 계수 A를 다른 페르미 액체들과 비교하기 위해.
• 비차원 수 ζ = (τκT²)⁻¹ℏEF/kB를 도입하여 효과적인 산산각률을 정량화하며, 이는 3He의 역할 준위수명과 유사한 개념이다.
• 액체 3He의 열전도도 및 비열 실험 데이터를 이용해 τκT²와 EF를 추출하여 컵레이트 데이터와 비교할 수 있도록 하였다.
• 상호작용 강도와 밀도 상태의 영향을 분리하기 위해, 현상학적 길이 척도 ℓquad = (e²/ℏ)⁻¹A (kB/EF)⁻²를 정의하였다.
• 3He의 압력 의존성에 기반해 효과적 질량, 패피 에너지, 준위입자 산산각률 시간을 분석하여 고체화 근처에서 동적 가비지성의 시작을 규명하였다.
• 강한 상호작용으로 인해 준위입자가 양자적 동일성의 손실을 겪는 동적 가비지성 개념을 적용하여, 과도도핑된 컵레이트에서 T선형 저항률의 기원을 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 La1.67Sr0.33CuO4가 페르미 액체임에도 불구하고 Kadowaki-Woods 척도에서 크게 벗어나는 이유는 무엇인가요?
• RQ2 비임계 도핑 p ≈ 0.3 근처에서 과도도핑된 컵레이트에서 T선형 저항률과 초전도성의 동시 발생을 이끄는 물리적 메커니즘은 무엇인가요?
• RQ3 강한 상호작용에 기인한 준위입자의 동적 가비지성이 고체화 근처에서 관찰된 3He와 유사하게, 강한 상관관계를 가진 금속에서 준위입자 성질의 붕괴를 설명할 수 있을까요?
• RQ4 과도도핑된 컵레이트에서 전자-전자 산산각률은 3He와 같은 양자 액체와 정량적으로 어떻게 비교될 수 있으며, 이는 정상 상태의 성격에 어떤 함의를 갖는가요?

주요 결과

• La1.67Sr0.33CuO4에서 T제곱 저항률 계수 A는 Kadowaki-Woods 척도에 비해 다섯 배 더 크며, 이는 전자-전자 상호작용이 비정상적으로 강하다는 것을 시사한다.
• La1.67Sr0.33CuO4에서 유도된 길이 척도 ℓquad ≈ 240 nm는 모든 알려진 다른 페르미 액체에서 관측된 1–50 nm 범위보다 훨씬 크며, 이는 전통적인 페르미 액체 행동의 붕괴를 시사한다.
• 비차원 수 ζ는 La1.67Sr0.33CuO4와 융해 압력 근처의 액체 3He에서 유사한 값을 보이며, 이는 동일한 수준의 동적 가비지성을 나타낸다.
• 고체화 근처의 액체 3He에서 준위입자 산산각률 시간 τκ는 T⁻²에 비례하며, 효과적 질량은 압력 증가에 따라 증가하여 상호작용 강화와 일치한다.
• 3He에서 동적 가비지성의 시작—페르미온이 더 이상 양자적 동일성을 잃는 순간—에서는 산산각률의 상태공간이 온도에 선형적으로 증가하며, 이는 T선형 저항률의 기원을 설명한다.
• La1.67Sr0.33CuO4에서 T² 저항률을 보이는 페르미 액체에서 La1.71Sr0.29CuO4로의 T선형 저항률을 보이는 이상 금속으로의 전이가, ζ와 ℓquad로 정량화된 강한 상호작용으로 인한 준위입자 성질의 붕괴로 기인한다.