[论文解读] Not all doped Mott insulators have a pseudogap: key role of van Hove singularities

Wéi Wú, Mathias S. Scheurer+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 50被引用 3

一句话总结

本文表明，并非所有掺杂莫特绝缘体都表现出赝能隙，挑战了仅由莫特绝缘性即可诱导赝能隙的假设。通过在正方和三角晶格上应用动力学簇近似（DCA），作者发现赝能隙的有无关键取决于非相互作用能带结构中范霍夫奇点的位置，且电子散射率中准粒子峰的演化由一个简单方程控制，该方程与赝能隙作为自旋密度波序涨落的规范理论中Higgs模式的SU(2)规范理论一致。

ABSTRACT

The Mott insulating phase of the parent compounds is frequently taken as starting point for the underdoped high-$T_c$ cuprate superconductors. In particular, the pseudogap state is often considered as deriving from the Mott insulator. In this work, we systematically investigate different weakly-doped Mott insulators on the square and triangular lattice to clarify the relationship between the pseudogap and Mottness. We show that doping a two-dimensional Mott insulator does not necessarily lead to a pseudogap phase. Despite its inherent strong-coupling nature, we find that the existence or absence of a pseudogap depends sensitively on non-interacting band parameters and identify the crucial role played by the van Hove singularities of the system. Motivated by a SU(2) gauge theory for the pseudogap state, we propose and verify numerically a simple equation that governs the evolution of characteristic features in the electronic scattering rate.

研究动机与目标

• 确定所有掺杂莫特绝缘体是否都表现出赝能隙态。
• 研究非相互作用能带结构（特别是范霍夫奇点）在赝能隙形成中的作用。
• 检验赝能隙的出现并非莫特绝缘性或短程反铁磁关联的必然结果这一假设。
• 验证一个描述电子散射率中准粒子峰演化过程的简单方程，该方程源自赝能隙的SU(2)规范理论。

提出的方法

• 将动力学簇近似（DCA）应用于正方和三角晶格上的二维 Hubbard 模型。
• 在正方晶格上使用实数最近邻跃迁，在三角晶格上使用复数、与通量相关的跃迁，以调节能带色散，同时保持反铁磁交换作用不变。
• 系统性地改变三角晶格中的相位Φ，以移动范霍夫奇点的位置，而不改变海森伯交换相互作用。
• 计算单粒子谱函数和电子散射率，以识别赝能隙特征和准粒子峰。
• 提出并数值验证了一个描述散射率中准粒子峰演化过程的简单方程。
• 检验其与SU(2)规范理论的一致性，其中赝能隙通过与具有大取向涨落的局域反铁磁序相关的Higgs机制产生。

实验结果

研究问题

• RQ1 掺杂莫特绝缘体是否总是导致赝能隙，无论能带结构如何？
• RQ2 范霍夫奇点如何影响掺杂莫特绝缘体中赝能隙的出现？
• RQ3 能否用一个简单的解析方程描述散射率中准粒子峰的演化？
• RQ4 在掺杂莫特绝缘体中，赝能隙态是否本质上与SU(2)规范理论预测的、由涨落反铁磁序相关的Higgs模式相联系？
• RQ5 非相互作用能带参数（独立于强关联效应）在多大程度上决定了赝能隙的形成？

主要发现

• 赝能隙并非在所有掺杂莫特绝缘体中都会出现；其存在对非相互作用能带结构中范霍夫奇点的位置极为敏感。
• 在正方和三角晶格上，只有当费米能级靠近范霍夫奇点时，赝能隙才会出现，表明能带结构是决定性因素。
• 推导并数值验证了一个简单方程，用于描述电子散射率中准粒子峰的演化，该方程准确捕捉了赝能隙的能谱权重耗竭。
• 赝能隙的特性与SU(2)规范理论一致，其中赝能隙作为涨落反铁磁序的Higgs模式产生。
• 研究表明，仅靠短程反铁磁关联不足以诱导赝能隙；能带结构的拓扑性质，特别是范霍夫奇点的存在，是必不可少的。
• 数值结果证实，赝能隙并非掺杂莫特绝缘体的普遍特征，而是对特定能带结构条件的选择性响应。