[논문 리뷰] The fate of quasiparticles at high-temperature

Andrew Hunter, S.B.M. Beck외 18명|PubMed|2023. 08. 04.

Material Science and Thermodynamics참고 문헌 49인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 상관 금속 Sr2RuO4에서准費米子가 200 K 이상의 온도까지 유지되며, 그 잔여량 Z가 온도 상승에 따라 감소하는 대신 증가함을 밝혀낸다. 역산각 분광법과 동적 평균장 이론을 사용하여, 저자들은 준費미온이 질량 손실로 인해 사라지지 않고 초초기 플랑크 산란과 과도한 넓이 증가로 인해 사라짐을 보여주며, 나쁜 금속에서 준費미온 붕괴의 전통적 관점을 도전한다.

ABSTRACT

We study the temperature evolution of quasiparticles in the correlated metal Sr_{2}RuO_{4}. Our angle resolved photoemission data show that quasiparticles persist up to temperatures above 200 K, far beyond the Fermi liquid regime. Extracting the quasiparticle self-energy, we demonstrate that the quasiparticle residue Z increases with increasing temperature. Quasiparticles eventually disappear on approaching the bad metal state of Sr_{2}RuO_{4} not by losing weight but via excessive broadening from super-Planckian scattering. We further show that the Fermi surface of Sr_{2}RuO_{4}-defined as the loci where the spectral function peaks-deflates with increasing temperature. These findings are in semiquantitative agreement with dynamical mean field theory calculations.

연구 동기 및 목표

• 고온에서 상관 금속, 특히 Mott-Ioffe-Regel 한계를 초월한 나쁜 금속 영역에서 준費미온의 운명을 밝히기.
• 나쁜 금속에서 준費미온 잔여량 Z가 온도 상승에 따라 감소한다는 일반적인 가정을 도전하기.
• Sr2RuO4에서 준費미온 특성 상실의 주요 메커니즘으로서 준費미온 질량 또는 스펙트럼 넓이 증가가 어느 것이 더 우세한지 규명하기.
• ARPES 측정 결과가 온도 의존 준費미온 행동에 대한 동적 평균장 이론(DMFT) 예측과 일관한지 테스트하기.
• 스펙트럼 함수 라인형태의 진화와 배경 항등하법이 신뢰할 수 있는 준費미온 매개변수 추출에 미치는 영향을 명확히 하기.

제안 방법

• 역산각 분광법(ARPES)을 사용하여, 약 ~250 K까지의 온도 범위에서 Sr2RuO4의 운동량 및 에너지 해상도 스펙트럼 함수를 측정함.
• 자기에너지의 일阶 전개를 ω₀(준費미온 피크 에너지) 근처에 적용하여 분산 관계에서 준費미온 잔여량 Z를 추출함.
• 직접 전이가 일어나지 않는 π/a 운동량에서의 스펙트럼을 사용하여 실용적인 배경 항등하법을 적용하여 내재된 스펙트럼 함수를 분리함.
• 라인형태 진화를 모델링하기 위해 수정된 스펙트럼 함수 표현식을 사용: A(k,δω) ≈ Z / π * [Z(Σ′′₀ + αδω)] / [δω² + Z(Σ′′₀ + αδω)²], 이는 온도 의존 넓이 증가 및 피크 강도 분석을 가능하게 함.
• 실험 결과를 동적 평균장 이론(DMFT) 계산과 비교하였으며, 스펙트럼을 정렬하기 위해 온도에 관계없이 전역적인 스케일링 인자를 사용함.
• DMFT 데이터로부터 자기에너지 도함수 ∂Σ′/∂ω를 계산하여 추출된 Z 값의 타당성을 검증하고 ARPES로 유도된 준費미온 질량과의 일관성을 확인함.

Figure 1: (a) Schematic of the Fermi surface of Sr 2 RuO 4 . (b) Low-temperature ARPES data showing the $\beta$ and $\gamma$ band dispersing symmetrically around the Brillouin zone boundary. Yellow and green lines are the bare dispersions of the $\beta$ and $\gamma$ bands obtained from the Hamiltoni

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나쁜 금속에서 전통적으로 가정되듯이, Sr2RuO4에서 준費미온 잔여량 Z는 온도 상승에 따라 감소하는가?
• RQ2 고온에서 준費미온 피크가 사라지는 데 주로 기여하는 메커니즘은 스펙트럼 질량 손실인가, 과도한 넓이 증가인가?
• RQ3 Sr2RuO4에서 피크가 스펙트럼 함수의 최대 강도 위치로 정의된 피에르 표면은 온도 상승에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 피크가 넓어지고 강도가 감소함에 따라 ARPES로 측정된 스펙트럼 함수는 준費미온 행동과 얼마나 일관되는가?
• RQ5 온도 상승에 따라 Z가 증가하는 것으로 관측된 현상은 다밴드 상관 체계에 대한 DMFT 예측과 일치하는가?

주요 결과

• 준費미온 잔여량 Z는 전통적인 예상과는 반대로, Sr2RuO4에서 온도 상승에 따라 증가함.
• 준費미온은 피에르 액체 영역과 Mott-Ioffe-Regel 한계를 초월한 고온 영역까지 스펙트럼 함수에 유지됨.
• 스펙트럼 피크는 온도 상승에 따라 크게 넓어지며, 비대칭 피에르 액체 형태에서 루소르티안 형태로 진화함으로써 초초기 플랑크 산란을 시사함.
• 피에르 표면은 스펙트럼 함수 강도 최대값의 위치로 정의되며, 온도 상승에 따라 수축함으로써 응집성 감소를 반영함.
• 배경 항등하법을 거친 ARPES 데이터는 DMFT 계산과 우수한 정성적 및 준정량적 일치를 보이며, Z의 온도 상승을 지지함.
• 이 연구는 피크 강도 감소와 함께 준費미온 질량이 증가할 수 있음을 입증하며, 넓이 증가가 항상 Z 감소를 의미한다는 가정을 도전함.

Figure 2: (a) MDCs at $E_{F}$ extracted from ARPES data with Lorentzian fits to quantify peak positions of the $\beta$ and $\gamma$ band. Additional examples of fits are shown in Supplemental Material. (b) Temperature dependence of $k(T)-k(T=0)$ at $E=E_{F}$ and $E=-29$ meV. Different colors and sym