[论文解读] Momentum-dependent scaling exponents of nodal self-energies measured in strange metal cuprates and modelled using semi-holography

Steef Smit, Enea Mauri+14 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 25被引用 7

一句话总结

本研究利用高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）在过掺杂的(Pb,Bi)2Sr2-xLa xCuO6+δ铜氧化物中揭示了节点自能的动量依赖性标度指数，表明在恒定能量切片中存在非洛伦兹型谱线形。实验数据通过基于AdS/CFT的半全息模型得到定量拟合，其中标度指数ν_k随掺杂浓度和动量平滑变化，支持高温超导体中奇异金属行为的全息描述。

ABSTRACT

The anomalous strange metal phase found in high-$T_c$ cuprates does not follow the conventional condensed-matter principles enshrined in the Fermi liquid and presents a great challenge for theory. Highly precise experimental determination of the electronic self-energy can provide a test bed for theoretical models of strange metals, and angle-resolved photoemission can provide this as a function of frequency, momentum, temperature and doping. Here we show that constant energy cuts through the nodal spectral function in (Pb,Bi)$_{2}$Sr$_{2-x}$La$_x$CuO$_{6+δ}$ have a non-Lorentzian lineshape, meaning the nodal self-energy is $k$ dependent. We show that the experimental data are captured remarkably well by a power law with a $k$-dependent scaling exponent smoothly evolving with doping, a description that emerges naturally from AdS/CFT-based semi-holography. This puts a spotlight on holographic methods for the quantitative modelling of strongly interacting quantum materials like the cuprate strange metals.

研究动机与目标

• 利用高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）测量过掺杂奇异金属铜氧化物中节点自能的动量依赖性。
• 检验基于AdS/CFT的半全息模型是否能定量描述所观测到的动量依赖标度指数。
• 确定标度指数是否如全息理论所预测的那样随掺杂浓度和动量平滑演化。
• 在强关联电子系统中建立实验谱函数与全息格林函数之间的定量联系。

提出的方法

• 利用高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）测量(Pb,Bi)2Sr2-xLa xCuO6+δ在一系列掺杂浓度下的节点谱函数。
• 通过分析恒定能量切片（MDCs）提取偏离洛伦兹型行为的谱线形偏差，表明存在动量依赖的自能。
• 采用半全息框架，其中费米子格林函数由具有z=∞的弯曲引力背景上的狄拉克方程导出。
• 自能建模为G⁻¹(ω,k) ∝ ω(−ω²)^(ν_k−1/2)，其中ν_k依赖于红外几何结构，并通过狄拉克费米子的电荷q进行调节。
• 通过调节耦合强度g_s，使模型在每个掺杂水平下与实验的谱权重和谱线宽相匹配。
• 将模型预测与ARPES数据在能量、温度和动量范围进行比较，重点关注接近k_F的节点方向。

实验结果

研究问题

• RQ1 过掺杂铜氧化物中的节点自能是否表现出超越频率和温度的动量依赖性？
• RQ2 具有动量依赖标度指数的半全息模型能否定量再现高精度ARPES数据？
• RQ3 标度指数ν_k如何随空穴掺杂浓度和远离k_F的动量演化？
• RQ4 所观测到的动量依赖幂律是否与z=∞时空中的全息量子临界性一致？

主要发现

• 在(Pb,Bi)2Sr2-xLa xCuO6+δ中，节点谱函数在恒定能量切片中表现出非洛伦兹型谱线形，证实了动量依赖的自能。
• 标度指数ν_k从最佳掺杂处的单位值平滑增加至费米液体值2，尽管即使在非超导样品中也未达到2。
• 实验数据通过半全息模型得到定量匹配，其中ν_k通过狄拉克费米子的电荷q进行调节，且α ≈ 1.9q提供了线性掺杂依赖关系。
• 自能遵循幂律形式Σ''(ω,k) ∝ (ω²)^ν_k，其中ν_k由引力背景的红外几何结构决定。
• 该模型成功再现了费米能级以下广泛能量范围及远离k_F的动量区域的谱函数。
• 结果支持z=∞全息理论中动量依赖标度的普适性，并验证了半全息作为奇异金属定量框架的有效性。