[論文レビュー] On the dynamic distinguishability of nodal quasi-particles in overdoped cuprates

Kamran Behnia|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 64被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、強い電子-電子相互作用によってノード状クーパー粒子の動的区別可能性が生じることで、過ドーピングされたカップレートスにおけるスラング・メタル行動の出現が生じることを提案する。過ドーピングされたLa1.67Sr0.33CuO4における電子-電子衝突率を固体化に近い液体ヘリウム3と比較することで、著者は、異常に大きな散乱率（ℓquad ≈ 240 nmとして定量化）がクーパー粒子の縮退の破壊を引き起こし、線形T依存の抵抗率を可能にすると示している。これは、超伝導ドームの縁で非フェルミ液体行動の始まりを示している。

ABSTRACT

La$_{1.67}$Sr$_{0.33}$CuO$_4$ is not a superconductor and its resistivity follows a purely T$^2$ temperature dependence at very low temperatures. La$_{1.71}$Sr$_{0.29}$CuO$_4$, on the other hand, has a superconducting ground state together with a T-Linear term in its resistivity. The concomitant emergence of these two features below a critical doping is mystifying. Here, I notice that the electron-electron collision rate in the Fermi liquid above the doping threshold is unusually large. The scattering time of nodal quasi-particles expressed in a dimensionless parameter $\zeta$ is very close to what has been found in liquid $^3$He at its melting pressure. In the latter case, fermionic particles become dynamically distinguishable by excess of interaction. Ceasing to be dynamically indistinguishable, nodal electrons will be excluded from the Fermi sea. Such non-degenerate carriers will then scatter the degenerate ones within a phase space growing linearly with temperature.

研究の動機と目的

• 過ドーピングカップレートスにおいて臨界ドーピングp ≈ 0.3の近くで、T線形抵抗率と超伝導性が同時に出現する理由を説明すること。
• フェルミ液体であるLa1.67Sr0.33CuO4が、Kadowaki-Woodsスケーリングによって予測される値の5倍も大きなT²抵抗率を示す理由を調査すること。
• 強い相互作用によって生じるクーパー粒子の動的区別可能性が、超伝導ドームの縁でフェルミ液体行動の崩壊を説明できるかを検討すること。
• 過ドーピングカップレートスにおける電子的挙動と、特に融解圧力付近のヘリウム3の量子液体-固体転移との類似性を明らかにすること。

提案手法

• Kadowaki-Woods (KW)プロット（A対Sommerfeld係数γ）を用いて、La1.67Sr0.33CuO4におけるT²抵抗率係数Aを他のフェルミ液体と比較する。
• 無次元パラメータζ = (τκT²)⁻¹ℏEF/kBを導入し、3Heにおける逆クーパー粒子寿命に類似した有効散乱率を定量化する。
• 液体ヘリウム3における熱伝導率と比熱の実験データを用いてτκT²とEFを抽出し、カップレートスデータと比較可能にする。
• 相互作用強度と状態密度の両立を分離するため、記述的長尺度ℓquad = (e²/ℏ)⁻¹A (kB/EF)⁻²を定義する。
• ヘリウム3における有効質量、フェルミエネルギー、クーパー粒子散乱時間の圧力依存性を分析し、固体化に近い付近で動的区別可能性の始まりを特定する。
• 強い相互作用によってクーパー粒子が量子的同一性を失い、動的区別可能性を示すという概念を適用し、過ドーピングカップレートスにおけるT線形抵抗率の出現を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミ液体であるにもかかわらず、La1.67Sr0.33CuO4の抵抗率がKadowaki-Woodsスケーリングから著しく外れる理由は何か？
• RQ2 過ドーピングカップレートスにおいてp ≈ 0.3の近くで、T線形抵抗率と超伝導性が同時に出現する背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ3 強い相関金属におけるクーパー粒子の縮退の破壊は、液体ヘリウム3が固体化に近い付近で観察されるように、動的区別可能性を用いて理解できるか？
• RQ4 過ドーピングカップレートスにおける電子-電子散乱率は、ヘリウム3のような量子液体と定量的に比較できるか？そして、これは正常状態の性質に何を示唆するか？

主な発見

• La1.67Sr0.33CuO4におけるT²抵抗率係数Aは、Kadowaki-Woodsスケーリングから予測される値の5倍以上大きく、異常に強い電子-電子相互作用を示している。
• La1.67Sr0.33CuO4における導出された長尺度ℓquad ≈ 240 nmは、他の既知のフェルミ液体で観察される1–50 nmの範囲とは著しく大きく、従来のフェルミ液体行動の破壊を示唆している。
• クーパー粒子寿命の正規化逆数を表す無次元パラメータζは、La1.67Sr0.33CuO4とその融解圧力における液体ヘリウム3と同等の値を示しており、類似した動的区別可能性レベルにあることを示している。
• 液体ヘリウム3では固体化に近い付近で、クーパー粒子散乱時間τκはT⁻²に比例し、有効質量は圧力とともに増加し、相互作用の強化と整合的である。
• ヘリウム3における動的区別可能性の始まり（フェルミ粒子が量子的同一性を失う）は、散乱の位相空間が温度に線形に増加するようになり、T線形抵抗率の出現を説明できる。
• フェルミ液体としてのT²抵抗率（La1.67Sr0.33CuO4）から、スラング・メタルとしてのT線形抵抗率（La1.71Sr0.29CuO4）への遷移は、ζおよびℓquadで定量化された強い相互作用によるクーパー粒子の縮退の喪失に起因する。