[논문 리뷰] Reconciling strange metal transport in CeCoIn$_5$ through the difference of optical and cyclotron effective masses

Wang, Zhenisbek Tagay외 11명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 24.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 0

한 줄 요약

본 논문은 고자장 시간 영역 THz 분광을 이용해 CeCoIn5가 두 가지 서로 다른 유효 질량을 갖는다는 것을 보인다—온도 의존성이 강한 광학 질량 m*(ω)과 비교적 온도 의존성이 작은 사이클로트론 질량 mc—숨겨진 페르미 액체 프레임웍에서 선형-온도 저항과 T^2 홀 각도 거동을 조화시킨다.

ABSTRACT

The strange metal behavior in cuprate superconductors - characterized by linear in temperature resistivity and anomalous Hall transport - stands in stark contrast to the expectation of conventional Fermi liquid (FL) theory. Remarkably, the similar transport behavior has also been observed in the heavy fermion metal CeCoIn$_5$, whose d-wave superconducting ground state and strong antiferromagnetic fluctuations draw parallels to the cuprates. Here we have investigated the optical conductivity of the strange metal state of CeCoIn$_5$ over a wide magnetic field range using time-domain THz spectroscopy (TDTS). Using unique high-field THz spectroscopy we have shown that the current relaxation rate scales approximately as T$^2$, giving evidence for a hidden Fermi liquid state over a large field range. This result can be reconciled with linear in T resistivity with the realization that heavy quasiparticles have an optical mass that scales roughly like 1/T. This optical mass contrasts with the mass that characterizes cyclotron motion, which does not suffer the same large temperature dependent renormalization. Although by itself anomalous, this allows one to understand a number of other phenomena in CeCoIn$_5$ that have been taken to be signatures of strange metals, including the coexistence of a conventional T$^2$ dependence of the cotangent of the Hall angle with the linear in T resistivity, which with our observation also reflects FL-like physics.

연구 동기 및 목표

• 전통적 페르미 액체 이론을 넘어 CeCoIn5에서의 이상 금속 수송에 대한 이해를 자극한다.
• 다양한 실험 프로브가 CeCoIn5의 전자 상호작용 및 질량 재정규화에 어떻게 연결되는지 조사한다.
• 자기장 하에서 광학 질량과 사이클로트론 질량이 수송 이상을 설명하도록 조화될 수 있는지 결정한다.
• 질량 재정규화가 이 헤비-페르미온 시스템에서 홀 수송과 Kohler 규칙에 어떤 영향을 주는지 탐구한다.

제안 방법

• CeCoIn5 박막에 대한 시간 영역 THz 분광법(TDTS) 편광 측정 최대 26 T까지.
• 원주 방향 기저에서 복소 광학 전도도를 두 Drude 성분으로 맞춰 사이클로트론 공명(cyclotron resonance)을 추출한다.
• 확장 Drude 모델(EDM)을 적용하여 σ(ω)를 역산하고 주파수 의존 질량 m*(ω)과 산란율 1/τ(ω)을 얻는다.
• ωc = eB/mc를 사용하여 사이클로트론 공명을 mc와 연결하고 m*(ω→0)과 비교한다.
• DC 홀 저항으로 적합 값을 제약하여 파라미터의 자기장과 온도 의존성을 견고하게 결정한다.
• 분석의 뼈대를 두 Drude의 최소 매개변수화에 두고, 이를 두 가지 서로 다른 캐리어 유형으로 귀속하는 대신에 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고자장 하에서 CeCoIn5의 광학 및 사이클로트론 응답은 서로 다른 유효 질량을 산출하는가?
• RQ2 두 질량 관점이 CeCoIn5에서 선형-온도 저항과 T^2 홀 각도 거동의 공존을 설명할 수 있는가?
• RQ3 조화된 Kondo 상태에서 주파수 의존 질량과 산란률은 온도와 자기장에 따라 어떻게 진화하는가?
• RQ4 m*(ω)와 mc의 차이는 중-헤비-페르미온 시스템에서 이상 금속 수송 해석에 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• 광학(관성) 질량 m*(ω)은 저온에서 코히렌트 Kondo 물리로 인해 크게 증가하는 반면, 사이클로트론 질량 mc는 온도 의존성이 약하게 보인다.
• 제로 주파수 EDM 산란율 1/τ*(ω→0)은 대략 T^2로 스케일링되는 반면, 1/τ(ω→0)은 선형으로 T에 비례한다.
• ωc는 저장대에서 약한 필드까지 B에 선형으로 증가하여 저필드에서 mc가 거의 일정하게 보이고, 고필드로 갈수록 ωc가 포화되면서 mc가 증가한다.
• 두 질량은 수송에 서로 다르게 관여하여 m*(T)/τ*(T)로 선형-온도 저항이 나타날 수 있게 하고 m*(T) ~ 1/T인 경우에 대해, cot(θH)는 1/(ωcτ*(0))에 따라 비교적 온도 독립적인 mc를 따른다.
• 주파수 의존 m*(ω)와 1/τ(ω)은 11.5 K에서 강한 저주파 재정규화를 보이고, 고주파에서 m*(ω)/mb가 근사적으로 1에 접근하며, 상관관계로 인해 주파수가 낮아질수록 감소한다.
• DC 홀 계수는 온도 의존성 R_H = (1/ne)·(m*/mc)를 얻어 두 질량 구조를 반영하며 단일 운반체 관점보다는 두 질량 구조를 반영한다.