[论文解读] From Mott to not: phenomenology of overdoped cuprates

N. R. Lee-Hone, H. U. Özdemir+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 54被引用 9

一句话总结

本文提出，像LSCO和Tl-2201这样的过掺杂铜氧化物超导体可以被精确地描述为具有费米液体修正的无序d波BCS理论，而无需引入非传统的物理机制。该理论在过掺杂区域中与比热、热导率和太赫兹电导率的实验数据表现出极佳的一致性，其中无序参数来自独立测量，且未使用任何可调拟合参数。

ABSTRACT

Recently, we have argued that experimental data on superfluid density and terahertz conductivity of overdoped LSCO are compatible with a Landau Fermi liquid/Bardeen-Cooper-Schrieffer description of these samples, provided dopants are treated within "dirty $d$-wave theory" as weak scatterers. Here we test these ideas by comparing to specific heat and thermal conductivity data on LSCO, showing that the theory works extremely well across the overdoped region for similar disorder parameters. We then study the same properties in another overdoped cuprate, Tl-2201, thought to be quite "clean" since it exhibits quantum oscillations, low residual resistivities and small superconducting state Sommerfeld coefficients. Our results are consistent with the Tl-2201 system being $\approx 3$ times cleaner due in part to the dopant atoms' being located further from the CuO$_2$ plane. We conclude that cuprates can be described semiquantitatively in the overdoped regime by "dirty $d$-wave" theory, subject to significant Fermi liquid renormalizations, without introducing physics beyond the Landau-BCS paradigm.

研究动机与目标

• 检验具有费米液体修正的无序d波BCS理论是否能定量描述过掺杂铜氧化物中的实验数据。
• 解决铜氧化物平面物理的普适性与不同铜氧化物家族中Tc广泛变化之间的明显矛盾。
• 检验在过掺杂区域中，掺杂引起的无序是否主导了Tc的抑制，而非本征电子效应。
• 通过比较LSCO和Tl-2201的过掺杂行为，利用二者不同的无序水平来检验无序d波模型的鲁棒性。
• 为像Tl-2201这样的清洁过掺杂铜氧化物提供光学电导率的预测框架，其中目前尚无太赫兹数据。

提出的方法

• 使用从角分辨光电子能谱（ARPES）数据参数化的实际紧束缚费米面，以模拟过掺杂铜氧化物中的电子结构。
• 应用具有非磁性杂质（作为短程散射体建模）的无序d波BCS理论，同时考虑s波和d波配对通道。
• 通过从比热和电阻率数据导出的有效质量增强来引入费米液体修正。
• 使用Kubo公式计算光学电导率σ1(Ω)，忽略自能修正和顶点效应以简化处理。
• 在多个可观测量中使用相同的无序参数（Tl-2201为ΓN/π = 6 K，LSCO为18 K），以测试一致性而无需拟合。
• 将理论预测与超流密度、比热、热导率和太赫兹电导率的实验数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有费米液体修正的无序d波BCS理论是否能在不使用可调参数的情况下，定量描述过掺杂LSCO中的比热和热导率？
• RQ2 Tl-2201中的无序水平与LSCO相比如何？这是否能解释Tl-2201中更高的Tc和更低的剩余电阻率？
• RQ3 在Tl-2201中，由于其较低的无序和观测到的量子振荡，该理论框架是否能预测其光学电导率？
• RQ4 在多大程度上，无序而非本征电子关联效应，解释了过掺杂区域中Tc的抑制？
• RQ5 Landau-BCS范式是否能在不引入超出常规超导性的新物理的前提下，描述过掺杂铜氧化物的超导态？

主要发现

• 具有费米液体修正的无序d波BCS模型仅使用先前研究中获得的无序参数，即可与过掺杂LSCO的比热和热导率数据实现极佳的一致性。
• 发现Tl-2201的无序程度约为LSCO的三倍，其杂质散射率更低（ΓN/π = 6 K vs. 18 K），与较低的剩余电阻率和观测到的量子振荡一致。
• 该模型预测Tl-2201的正常态电导率显著高于LSCO，且剩余谱权重更低，符合更清洁体系的预期。
• 在低温下，Tl-2201中出现一个狭窄的低频电导率峰，而LSCO中则不存在，表明其具有更强的相干性和更少的无序散射。
• 若考虑自旋涨落，该理论预测Tl-2201的光学电导率中会出现明显的'4Δ'特征，与类似体系中的先前观测结果一致。
• 在LSCO和Tl-2201之间的比较中未使用任何可调参数，且在多个实验可观测量上均表现出良好一致性，支持了无序d波BCS框架的鲁棒性。