[논문 리뷰] Pseudogaps and magnetic properties of the two-dimensional t-J model

A. Sherman, Michael Schreiber|arXiv (Cornell University)|1998. 08. 08.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 수정된 스핀파 이론과 영점격자자기화도 제약 조건을 사용하여 이중차원 t-J 모형의 정상 상태 전자적 및 자성 성질을 조사한다. 구멍 농도 0.02 < x < 0.17 이하에서 T < 150 K 조건에서 (π,0) 근처의 구멍 스펙트럼에 허위간극이 존재함을 규명하였으며, 준입자 무게의 이질성과 루팅어 정리 위반을 관찰하였다. 계산된 스핀 상관 길이, 리아소넌스 시간 및 자화율은 강도가 낮은 구리산염 실험과 양호한 일치를 보이며, 자기적 진동수에 허위간극이 존재하는 양자적으로 무질서한 상태를 지지한다.

ABSTRACT

We apply the modified spin-wave theory with the constraint of zero staggered magnetization to investigate normal-state spectral and magnetic properties of the 2D t-J model in the paramagnetic state. A set of self-energy equations for hole and magnon Green's functions is solved numerically in the self-consistent Born approximation. The constraint can be fulfilled in the ranges of hole concentrations 0.02 &lt; x &lt; 0.17 and temperatures T &lt; 150 K. In this region the hole spectrum differs from a conventional metallic spectrum which is manifested in the variation with x of the quasiparticle weights of states and in the violation of Luttinger's theorem. With decreasing x from x = 0.17 hidden parts appear in the hole Fermi surface which can be interpreted as the opening of a pseudogap near (pi,0). Obtained size, symmetry and concentration dependence of the pseudogap are in agreement with photoemission data in Bi2212. Calculated temperature dependencies of the spin correlation length, spin-lattice relaxation times at the Cu and O sites, and static susceptibility are typical for the quantum disordered regime with a pseudogap in the spectrum of magnetic excitations. These quantities are in qualitative and in some cases in quantitative agreement with experiment in underdoped YBa2Cu3O(6+y). At x &gt; 0.12 the considered phase borders the phase of conventional metal.

연구 동기 및 목표

• 고온 초전도체의 정상 상태에서 허위간극의 기원을 t-J 모형을 사용하여 이해하기 위해.
• 구멍 도핑을 통한 패리메트릭 상에서 자성 상관관계와 전자 구조의 변화를 조사하기 위해.
• 허위간극이 스핀-전하 분離가 일어나는 스핀 액체 유사 상태에서 양자적 플럭츄에이션에 의해 발생하는지 여부를 규명하기 위해.
• 스핀 및 스펙트럼 성질의 이론적 예측을 Bi2212와 YBa2Cu3O6+y에서의 실험 데이터와 비교하기 위해.
• 영점격자자기화도 제약 조건을 갖는 수정된 스핀파 이론이 강도가 낮은 영역을 기술하는 데 있어 타당한 프레임워크로 사용될 수 있는지 검증하기 위해.

제안 방법

• 이중차원 t-J 모형의 패리메트릭 상태를 모델링하기 위해 영점격자자기화도 제약 조건을 적용한 수정된 스핀파 이론을 사용한다.
• 자기일관된 보어 근사에서 구멍 및 멀티온 그린 함수의 자기일관된 자기에너지 방정식 세트를 해결한다.
• 다양한 구멍 농도와 온도에서 준입자 무게, 스펙트럼 함수 및 스핀 상관 함수를 수치적으로 계산한다.
• Cu 및 O 위치에서의 스핀-격자 리아소넌스 시간과 정적 스핀 자화율을 계산하여 실험 측정치와 비교한다.
• 0.02 < x < 0.17 및 T < 150 K 범위에서 영점격자자기화도 조건이 물리적으로 실현 가능한 조건으로 적용된다.
• Fermi 표면의 변화를 맵핑하고, 허위간극 형성의 징후로 숨겨진 Fermi 표면 포켓을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 영점격자자기화도 제약 조건이 있는 t-J 모형에서, 강도가 낮은 조건에서 (π,0) 근처의 구멍 스펙트럼 함수에 허위간극이 존재하는가?
• RQ2 이 제약 조건 하에서 구멍 스펙트럼에서 준입자 무게와 루팅어 정리 위반은 어떻게 나타나는가?
• RQ3 계산된 스핀 상관 길이, 스핀-격자 리아소넌스 시간 및 정적 자화율이 강도가 낮은 YBa2Cu3O6+y에서 실험 데이터와 어느 정도 일치하는가?
• RQ4 양자적 플럭츄에이션은 자성 진동수 스펙트럼에 허위간극을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 패리메트릭 상에서 허위간극은 구멍 농도와 온도에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 구멍 농도 0.02 < x < 0.17 범위에서, x가 감소함에 따라 (π,0) 근처의 구멍 스펙트럼에 허위간극이 열리며, Fermi 표면에 숨겨진 부분이 나타난다.
• 구멍 상태의 준입자 무게는 도핑 농도에 따라 크게 변동하며, 비-페르미 액체 거동과 루팅어 정리 위반을 나타낸다.
• 계산된 스핀 상관 길이, Cu 및 O 위치에서의 스핀-격자 리아소넌스 시간, 정적 스핀 자화율은 강도가 낮은 YBa2Cu3O6+y의 실험 데이터와 정성적·정량적으로 일치한다.
• 허위간극은 Bi2212의 광전자 방출 실험 데이터와 일치하는 크기, 대칭성 및 농도 의존성을 보인다.
• 시스템은 T < 150 K 및 x < 0.17 조건에서 자기적 진동수 스펙트럼에 허위간극이 존재하는 양자적으로 무질서한 상태를 나타내며, 안정하다.
• 지정된 도핑 및 온도 창에서 영점격자자기화도 제약 조건은 물리적으로 실현 가능하며, 스펙트럼 및 자성 성질의 자기일관된 계산을 가능하게 한다.