[논문 리뷰] On the mass enhancement near optimal doping in high magnetic fields in the cuprates

T. Senthil|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 08.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 8

한 줄 요약

논문은 고자기장에서, 양자临계 잔류물의 열린 점에서의 비등방성 질량 재규합에 의해 최적 doping에서 코발트산화물의 효과적 질량 증가가 발생한다고 제안한다. 이는 이중 방향 전하 주기성에 의해 유도된 노드 전자 터널의 모서리에서 발생하며, 큰 피에르피면의 열린 점에서의 양자 임계 변동에 의해 이끌린다. 이러한 비등방성 질량 증가로 인해 양자 임계 지수 $ z_H > 2 $ 일 때 사이클로트론 효과적 질량이 발산하게 되며, 이는 $ x \approx 0.18 $ 에서 관측된 $ m^* $ 발산을 설명한다. 이는 영자기장에서의 운반성질에서 질량이 발산하지 않아도 된다는 것을 의미한다.

ABSTRACT

Recent observation of a mass enhancement in high magnetic fields in nearly optimally doped cuprates poses several puzzles. For the suggested nodal electron pocket induced by bidirectional charge order in high field, we propose that the mass enhancement is very anisotropic around the small Fermi surface. The corners of the pocket are proposed to have a big enhancement without any enhancement along the diagonal nodal direction. A natural mechanism for such angle dependent mass enhancement comes from the destruction of the Landau quasiparticle at hot spots on the large Fermi surface at a proximate quantum critical point. The possibility of a divergent cyclotron effective mass is discussed within a scaling theory for such a quantum critical point. We consider both a conventional quantum critical point associated with the onset of charge order in a metal and an unconventional one where an antinodal pseudogap opens simultaneously with the onset of charge order. The latter may describe the physics of the strange metal regime at zero magnetic field.

연구 동기 및 목표

• 고자기장에서 최적 doping 근처에서 강한 양자입자 효과적 질량 $ m^* $ 증가가 관측되지만, 영자기장에서의 운반성질에서는 그러한 증가가 관측되지 않는 문제를 해결하기 위해.
• 전하 주기성과 기타 양자 임계 현상의 시작과 동시에 관측된 $ m^* $ 발산이 $ x \approx 0.18 $ 에서 발생하는 것을 설명하기 위해.
• 양자진동 실험에서 관측된 각도 의존성 질량 증가를 설명하기 위해, 이는 특정 피에르피면 영역에서만 강한 $ m^* $ 증가가 관측된다는 점을 반영한다.
• 낮은 자화율 코발트산화물의 고자기장 금속 상태에서 전통적과 비전통적 양자 임계점의 차이를 구분하기 위해.
• 열린 점에서의 양자 임계 변동의 임계 지수와 사이클로트론 효과적 질량의 발산을 연결하는 스케일링 이론을 수립하기 위해.

제안 방법

• 열린 점에서의 전자 그린 함수가 비정상적인 지수 $ z_H $ 와 $ \alpha_H $ 를 가진 수정된 스케일링 형태를 나타내는 양자 임계 이론을 제안한다.
• 열린 점 근처에서 피에르피면 속도를 $ v_F \sim |k_\parallel|^{z_H - 1} $ 로 유도하며, 이는 전자 터널의 모서리에서 질량 증가를 이끈다.
• 그린 함수의 스케일링 형태를 사용하여 양자진동 질량 $ m^*_{QO} \sim \Delta^{2/z_H - 1} $ 의 기여를 계산하며, 이는 $ z_H > 2 $ 일 때 발산한다.
• 이론을 전통적 및 비전통적 양자 임계점에 모두 적용하며, 후자는 동시에 페시드오페그와 전하 주기성의 시작을 포함한다.
• 핫스팟과 비핫스팟 그린 함수 간의 일치 조건을 분석하여 효과적 질량의 각도 의존성을 유도한다.
• 사이클로트론 질량의 피에르피면 전체에 걸친 평균화의 역할을 고려하여, 모서리에서 증가한 $ m^* $ 가 관측 가능한 $ m^*_{QO} $ 를 지배함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 고자기장에서 최적 doping 근처에서 양자입자 효과적 질량 $ m^* $ 가 강하게 증가하는가? 영자기장에서의 운반성질에서는 그러한 증가가 관측되지 않기 때문이다.
• RQ2 왜 $ x \approx 0.18 $ 에서 관측된 $ m^* $ 의 발산은 영자기장 ARPES 및 운반성질 측정에서 질량 증가가 관측되지 않는 것과 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ3 왜 양자진동 실험에서 관측된 비등방성 질량 증가가 존재하는가? 이는 터널의 모서리에서는 강하게 나타나지만, 노드 방향에서는 관측되지 않는다.
• RQ4 사이클로트론 효과적 질량이 발산하기 위해 필요한 임계 지수 $ z_H $ 와 $ \alpha_H $ 는 무엇이며, 이는 양자 임계점의 성격에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 고자기장 금속 상태의 성질은 영자기장에서의 이상 금속 및 페시드오페그 상과 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• 효과적 질량 증가는 매우 비등방적이며, 노드 전자 터널의 모서리에서는 강하게 증가하지만, 노드 방향에서는 거의 증가하지 않는다.
• 양자진동 질량 $ m^*_{QO} $ 는 양자 임계 지수 $ z_H > 2 $ 일 때 발산하며, 이는 $ x \approx 0.18 $ 에서 관측된 $ m^* $ 발산을 설명하는 메커니즘을 제공한다.
• 사이클로트론 효과적 질량은 피에르피면의 모서리 영역에서 지배적이며, 이는 핫스팟에서의 임계 변동으로 인해 $ v_F $ 가 억제되기 때문이다.
• 스케일링 이론은 $ m^*_{QO} \sim \Delta^{2/z_H - 1} $ 을 예측하며, $ z_H > 2 $ 일 경우 발산이 가능하다. 이는 최적 doping에서 관측된 $ m^* $ 발산과 일치한다.
• 이론은 전통적 및 비전통적 양자 임계점 간의 구분을 하며, 후자는 동시에 페시드오페그와 전하 주기성의 시작을 포함한다. 이는 영자기장 이상 금속을 설명할 수 있다.
• 이 모델은 운반성질 실험에서 질량 증가가 감지되지 않는 이유를 설명한다. 비등방성 $ m^* $ 는 평균 운반성질에 영향을 주지 않으며, 이는 다른 피에르피면 세그먼트에 의존하기 때문이다.