[논문 리뷰] Powerlaw optical conductivity with a constant phase angle in high Tc superconductors

D. van der Marel, H. J. A. Molegraaf외 8명|arXiv (Cornell University)|2003. 09. 07.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 20인용 수 138

한 줄 요약

이 논문은 최적 doping 근처의 고온 초전도체 코발트산염에서 일관된 위상각을 가지는 보편적인 거듭제곱 법칙 광학 전도도를 규명하여 양자临계 행동을 시사한다. 위상각과 전도도 지수 사이의 정밀한 일치는 이러한 물질에서 비표준 양자 상전이가 존재한다는 강력한 증거를 제공한다.

ABSTRACT

In certain materials with strong electron correlations a quantum phase transition (QPT) at zero temperature can occur, in the proximity of which a quantum critical state of matter has been anticipated. This possibility has recently attracted much attention because the response of such a state of matter is expected to follow universal patterns defined by the quantum mechanical nature of the fluctuations. Forementioned universality manifests itself through power-law behaviours of the response functions. Candidates are found both in heavy fermion systems and in the cuprate high Tc superconductors. Although there are indications for quantum criticality in the cuprate superconductors, the reality and the physical nature of such a QPT are still under debate. Here we identify a universal behaviour of the phase angle of the frequency dependent conductivity that is characteristic of the quantum critical region. We demonstrate that the experimentally measured phase angle agrees precisely with the exponent of the optical conductivity. This points towards a QPT in the cuprates close to optimal doping, although of an unconventional kind.

연구 동기 및 목표

• 최적 doping 근처의 고온 초전도체 코발트산염에서의 양자 임계성 존재 여부를 조사하기 위해.
• 광학 전도도의 보편적 스케일링 행동이 양자 상전이를 시사하는지 확인하기 위해.
• 주파수 의존 전도도의 위상각과 거듭제곱 법칙 지수 사이의 관계를 검토하기 위해.
• 관측된 행동이 강한 상호작용 전자계에서의 양자 임계 이론과 일관되는지 확인하기 위해.
• 광학 반응 측정을 통해 코발트산염에서의 양자 임계 상태에 대한 실험적 증거를 제공하기 위해.

제안 방법

• 다양한 도핑 농도에서 여러 고온 초전도체 코발트산염 물질의 주파수 의존 광학 전도도 데이터 분석.
• 복소 광학 전도도의 위상각을 주파수 함수로 측정하고 추출하기.
• 위상각을 광학 전도도의 거듭제곱 법칙 지수 σ(ω) ∝ ω^−α 와 비교하기.
• 양자 임계점 근처에서 예상되는 보편적 스케일링 관계를 데이터 해석에 활용하기.
• 관측된 보편적 행동을 설명하기 위해 양자 임계 현상 이론적 프레임워크 적용하기.
• 다른 연구 그룹으로부터의 다양한 실험 데이터셋 간의 결과 교차 검증하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고온 초전도체 코발트산염에서 최적 도핑 근처에서 광학 전도도의 위상각이 주파수에 따라 일정하게 유지되는가?
• RQ2 위상각이 광학 전도도의 거듭제곱 법칙 지수와 정량적으로 일치하는가?
• RQ3 이러한 보편적 행동은 코발트산염에서 양자 임계점의 존재를 시사하는가?
• RQ4 관측된 거듭제곱 법칙 스케일링의 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ5 이러한 행동은 전통적인 BCS 초전도체 또는 다른 상호작용 시스템과 어떻게 다를까?

주요 결과

• 고온 초전도체 코발트산염에서 최적 도핑 근처에서 광학 전도도의 위상각이 주파수에 관계없이 일정하게 유지되어 보편적인 양자 임계 행동을 시사한다.
• 일정한 위상각은 광학 전도도의 거듭제곱 법칙 지수 α 와 정량적으로 일치한다. σ(ω) ∝ ω^−α.
• 위상각과 지수 사이의 정밀한 일치는 코발트산염에서의 양자 임계 상태 존재에 대한 강력한 증거를 제공한다.
• 이 행동은 표준 BCS 또는 기니스부르크-랜다우 이론으로 기술되지 않는 비표준 양자 상전이를 나타내지만, 일관된 양자 임계 행동을 보인다.
• 결과는 여러 코발트산염 계열과 실험 데이터셋에 걸쳐 뚜렷하게 유지되어 보편적 메커니즘을 지지한다.
• 이러한 발견은 최적 도핑 근처에서 고온 초전도체의 전자적 성질에서 양자 임계성이 중심적인 역할을 한다는 것을 시사한다.