[논문 리뷰] Universality of linear in temperature and linear in field Planckian scattering rate in high temperature cuprate superconductors

K. Remund, K. V. Nguyen외 5명|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 11.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 0

한 줄 요약

본 논문은 언더도핑된 LSCO에서 Planckian 산란의 보편적 B/T 스케일링을 보여주고, 국부 QCP 근처의 스핀 기반 양자 임계 메커니즘을 통해 T-선형 및 B-선형 저항성을 연결하며 두 가지 Planckian 동작을 하나로 통합한다.

ABSTRACT

One of the long standing puzzles in strongly correlated materials is the microscopic origin of the quantum critical Planckian strange metal phase with universal linear in temperature scattering rate from which unconventional superconductivity directly emerges by lowering temperatures. Recently, the linear in temperature and linear in field resistivity have been simultaneously observed in high temperature cuprate superconductors, manifested by the universal field to temperature scaling in magnetoresistivity. To date, there has been a lack of coherent and unified understanding of these coexisting linear behaviors and their possible link to quantum criticality. In this work, we establish the universality in linear in temperature and linear in field Planckian behaviors in underdoped LSCO near optimal doping. Experimentally, we observe the linear in field Planckian scattering rate and its relation to its linear in temperature counterpart. Theoretically, we propose a spin based common microscopic mechanism based on Kondo-like charge fluctuations near local quantum criticality of heavy fermion formulated tJ model subject to a Zeeman term. Similar to frequency to temperature scaling near quantum criticality, we find the magnetic field here effectively introduces a Zeeman energy, reminiscent of an external energy in the quantum critical regime, leading to field to temperature scaling. Our analytically predicted universal field to temperature scaling in isotropic scattering rate and the relation between the linear in temperature and linear in field Planckian coefficients, unifies these two phenomena over an extended doping range, pointing toward a unified quantum-critical origin of Planckian transport in cuprates.

연구 동기 및 목표

• cuprates에서 Planckian 수송의 보편적 기원의 탐색을 촉진하기 위해 동시적으로 T-선형 및 B-선형 저항성을 검토한다.
• 국부 양자 임계성 근처의 Kondo 유사한 전하 변동에 기초한 공통의 미시적 메커니즘을 제안한다.
• Zeeman 구동 B/T 스케일링을 통해 T-선형 및 B-선형 산란을 연결하는 보편적 스케일링 프레임워크를 도출한다.
• 최적 도핑 근처의 LSCO에서 하나의 이론적 모델로 자성-수송(magneto-transport) 데이터를 적합한다.
• 양자 임계 관점에서 DC 수송 관찰을 ω/T 유사 스케일링 개념과 연결한다.

제안 방법

• 스피논(spinon)과 홀론(holon) 동역학을 설명하기 위해 중무거 펀드(h heavy-fermion)에서 영감을 얻은 슬레이브-보손 t-J 모델을 채택한다.
• 페르미온 밴드의 자기에너지에 Zeeman 분리를 포함시켜 필드 의존 자성-산란율을 유도한다.
• 스케일링 함수 Φ(x) with x = µBB/kBT 를 통해 T-선형 및 B-선형 저항성을 생성하는 보편적 DC 산란율을 얻는다.
• 명시적 표현을 제시: ρ(B,T)=ρ0(T)+ (kBT/µB) Φ(µBB/kBT) with Φ(x)= x γ coth(ζx/2).
• ω→0에서 보편적 T-선형 Planckian 비율이 ℏ/τ ∼ αT kBT/ℏ 이고 αT=8/π 이며 αB를 축척 관계를 통해 αT와 관련시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 cuprates에서 동시에 T-선형 및 B-선형 Planckian 산란을 제공하는 보편적 기제가 있는가?
• RQ2 Zeeman 구동의 등방성 산란 프레임워크가 국부 양자 임계성 근처에서 B/T 스케일링을 설명할 수 있는가?
• RQ3 도핑이 p ≈ 0.19 근처에서 T-선형 및 B-선형 Planckian 계수 αT와 αB는 어떻게 관련되는가?
• RQ4 DC 수송을 cuprates에서 ω/T-스케일링 현상과 어떻게 통합하는 Kondo 유사 전하 변동 그림이 제시하는가?

주요 결과

• 고전 최적 도핑 근처에서 LSCO에서 높은 전계 하의 B-선형 Planckian 산란 비율 αB ≈ 4/π를 관찰했다.
• 동일한 물질과 도핑 범위에서 무자성장 T-선형 Planckian 계수 αT ≈ 8/π로, αT ≈ 2αB이다.
• x = µBB/kBT 인 확대 함수 Φ(x)와 함께 보편적 B/T-스케일링 함수가 자장이 있는 자항-저항성을 맞춘다.
• 확장된 도핑 범위에 걸쳐 T-선형 및 B-선형 Planckian 동작을 균일하게 연결하는 이론적 예측이 양자 임계 기원을 시사한다.
• LSCO p = 0.19 데이터에 대해 c0, c1, γ, ζ 값이 이론과 일치하도록 매개변수를 맞춘 결과(예: ζ ≈ 3.06)
• A1T ≈ 2A1B의 상관관계가 T-선형 및 B-선형 저항성의 기원을 공유함을 시사한다.