[論文レビュー] Analysis of the Quasiparticle Spectral Function in the Underdoped Cuprates

Maxim Khodas, Huanan Yang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2010

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、修正されたYRZ準粒子スペクトル関数アプローチを用いて、下ドーピングカップレートスにおけるフェルミポケットの熱揺らぎ下での安定性を調査する。RVBギャップをべき乗則に従う相関を持つ臨界イジング順序パラメータとして扱い、その揺らぎを考慮することで、フェルミポケットが揺らぎに対しても存続することを示す。相関指数を2倍にした場合、線幅は実験的ARPESデータと一致する。非等方的抑制は、観測されたフェルミアークを再現する。

ABSTRACT

We applied the approach of K.-Y. Yang, T. M. Rice and F.-Ch. Zhang (YRZ) to analyze the high resolution angular resolved photo-emission spectroscopy (ARPES) data in BiSCO obtained recently at Brookhaven. In the YRZ ansatz a constant RVB gap is assumed which leads to Luttinger zeros along the antiferromagnetic Brillouin zone (AFBZ) and four Fermi pockets centered on the nodal directions. We relax the assumption of a constant RVB gap function, treating it as a Ising order parameter accompanied by thermal fluctuations. If these thermal fluctuations are very strong leading to strictly short range correlations in the spatial dependence of the RVB gap, then the reconstruction of the Fermi surface into pockets will not survive. We examined the intermediate case of critical fluctuations leading to a power law falloff of the RVB gap correlations. To this end we followed the analysis recently developed by two of us to treat the effect of the power law correlations in the antiferromagnetic 2-dimensional xy model on the single electron Green's function. The partial truncation of the Fermi surface to form pockets survives in the presence of power law correlations. The linewidth of the quasiparticle peaks increases with the exponent of the power law correlations. If this exponent is set at the value of critical fluctuations in the 2-dimensional Ising model a relatively small linewidth is obtained. If this exponent is doubled, a linewidth comparable to the values found in recent ARPES experiments on underdoped BiSCO (Tc = 65 K) at T = 140K was obtained. The anisotropic suppression of the quasiparticle peak around the Fermi pockets hides the back side of the pockets closest to the AFBZ to give essentially Fermi arcs seen experimentally.

研究の動機と目的

• 下ドーピングカップレートスにおけるフェルミ表面再構築が熱揺らぎ下でもポケットにまで及ぶかどうかを評価すること。
• RVBギャップが一定であるというYRZアンザッツが、揺らぎを含めた場合にも有効であるかどうかを検討すること。
• RVBギャップ内のべき乗則に従う相関が、実験的に観測された準粒子線幅およびフェルミアークの形状を再現できるかどうかを特定すること。
• 臨界揺らぎ（べき乗則に従う相関）と短距離揺らぎ（長距離秩序なし）がフェルミ表面トポロジーに与える影響を対比すること。
• 理論的スペクトル特徴とBi2201のT = 140 K、Tc = 65 Kにおける実験的ARPESデータを結びつけること。

提案手法

• YRZアンザッツを修正し、定数のRVBギャップを空間的に相関を持つイジング順序パラメータに置き換える。
• 熱揺らぎを、相関指数dが相関長を制御するべき乗則に従うRVBギャップ関数の相関としてモデル化する。
• 2次元XYモデルから導かれた場の理論的手法を用いて、べき乗則に従うギャップを持つ単粒子グリーン関数を計算する。
• 自己エネルギー形式を用いて、準粒子応答の実部（分散シフト）および虚部（線幅）の両方を計算する。
• 相関指数dを調整することで、実験的ARPESデータに適合させる。線幅およびポケットの幾何学的形状に一致させる。
• 楕円型ポケットの形状とフェルミ表面の先端位置を実験データに一致させる幾何的フィッティング手順を用い、エネルギースケールTKを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RVBギャップがべき乗則に従う相関を持つ熱揺らぎの下でも、YRZアンザッツによるフェルミポケット形成が成立するか。
• RQ2 べき乗則に従う相関指数dがスペクトル関数における準粒子線幅に与える影響は何か。
• RQ3 揺らぐギャップによる準粒子ピークの非等方的抑制は、ARPES実験で観測されたフェルミアークの形状を再現できるか。
• RQ4 臨界揺らぎ（d ≈ 0.125）と強い揺らぎ（d = 0.25）の両者を比較した場合、スペクトルの広がりおよびポケットの安定性にどのような違いが生じるか。
• RQ5 自己エネルギーの実部と虚部のどちらが、揺らぎの存在下でもフェルミポケットが存続するかを決定づけるか。

主な発見

• べき乗則に従う熱揺らぎ下でもフェルミポケットが存続し、YRZ型再構築の安定性が示される。
• 相関指数dを0.125から0.25に倍増した場合、予測された準粒子線幅はBi2201のT = 140 KにおけるARPES測定値と一致する。
• d = 0.125の場合、線幅は比較的小さく、2次元イジング模型における臨界揺らぎと整合する。
• ポケット周辺のスペクトル重みの非等方的抑制により、AFBZ近辺の領域が隠れ、実験的に観測されたフェルミアークを再現する。
• 長距離秩序がない場合には、自己エネルギーの実部が欠落するためポケットは破壊されるが、臨界揺らぎがそれらを保存する。
• エネルギースケールTK ≈ 54 meV（d = 0.125）およびTK ≈ 67 meV（d = 0.25）は、疑似ギャップエネルギースケールT*と同程度のオーダーである。