[論文レビュー] Reconciling strange metal transport in CeCoIn$_5$ through the difference of optical and cyclotron effective masses

Wang, Zhenisbek Tagay+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2026

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ひとこと要約

論文は高磁場時間領域 THz 分光を用いて CeCoIn5 が2つの異なる有効質量を有することを示す。温度に強く依存する光学質量 m*(ω) と比較的温度に依存しない環状質量 mc を提示し、Hidden Fermi Liquid 枠組みの中で線形-in-T 抵抗と T^2 の Hall角挙動を調和させる。

ABSTRACT

The strange metal behavior in cuprate superconductors - characterized by linear in temperature resistivity and anomalous Hall transport - stands in stark contrast to the expectation of conventional Fermi liquid (FL) theory. Remarkably, the similar transport behavior has also been observed in the heavy fermion metal CeCoIn$_5$, whose d-wave superconducting ground state and strong antiferromagnetic fluctuations draw parallels to the cuprates. Here we have investigated the optical conductivity of the strange metal state of CeCoIn$_5$ over a wide magnetic field range using time-domain THz spectroscopy (TDTS). Using unique high-field THz spectroscopy we have shown that the current relaxation rate scales approximately as T$^2$, giving evidence for a hidden Fermi liquid state over a large field range. This result can be reconciled with linear in T resistivity with the realization that heavy quasiparticles have an optical mass that scales roughly like 1/T. This optical mass contrasts with the mass that characterizes cyclotron motion, which does not suffer the same large temperature dependent renormalization. Although by itself anomalous, this allows one to understand a number of other phenomena in CeCoIn$_5$ that have been taken to be signatures of strange metals, including the coexistence of a conventional T$^2$ dependence of the cotangent of the Hall angle with the linear in T resistivity, which with our observation also reflects FL-like physics.

研究の動機と目的

• CeCoIn5 における奇異な金属輸送の理解を従来のフェルミ液体理論を超えて動機づける。
• CeCoIn5 における電子相互作用と質量再正規化に異なる実験的プローブがどのように結びつくかを調査する。
• 光学質量と環状質量を整合させて磁場下の輸送異常を説明できるかを判断する。
• 質量再正規化がヘビイアルミニウム系のHall輸送と Kohler ルールに与える影響を探る。

提案手法

• CeCoIn5 薄膜に対する時間領域 THz 分光（TDTS）偏光測定を最大26 Tまで実施。
• 円偏極基準で複素導電率を2成分ドリュー型で適合し環状共鳴を抽出。
• 拡張ドリュー型モデル（EDM）を用いて σ(ω) を反転し周波数依存の質量 m*(ω) と散乱率 1/τ(ω) を得る。
• ωc = eB/mc を用いて環状共鳴を mc と比較し光学質量 m*(ω→0) と対比較。
• DC Hall 抵抗を用いて測定値を拘束し、場・温度依存性を頑健に決定。
• 2-ドリューの最小パラメータ化で二つのキャリア種を仮定する従来解釈よりも、多成分仮説を支持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高磁場下で光学応答と環状応答は CeCoIn5 における異なる有効質量を示すか。
• RQ2 光学質量と環状質量の二重質量仮説は CeCoIn5 における線形の抵抗と T^2 の Hall角挙動の共存を説明できるか。
• RQ3 コヒーレントKondo状態で周波数依存の mass と散乱率は温度と磁場とともにどう変化するか。
• RQ4 m*(ω) と mc の差はヘビィ-フェルミオン系の奇異な金属輸送の解釈に何を示唆するか。

主な発見

• 光学質量 m*(ω) は低温でコヒーレントKondo物理により強く増大する一方、環状質量 mc は温度依存性がほとんど見られない。
• 零周波数の EDM 散乱率 1/τ*(ω→0) は概ね T^2 にスケールするのに対し、1/τ(ω→0) は T に線形にスケールする。
• ωc は B に対して線形で約 2 T 付近までは mc はほとんど場依存性がなく、より高磁場で ωc が飽和するにつれて mc が増加。
• 2つの質量は輸送で異なる形で寄与し、m*(T)/τ*(T) が約 1/T で増加することで線形-in-T 抵抗を生じさせ、cot(θH) は ωc τ*(0) の逆数に従い相対的に温度依存性が小さい mc を反映する。
• 周波数依存の m*(ω) と 1/τ(ω) は 11.5 K で強い低周波数改定を示し、高周波で m*(ω)/mb がほぼ1に近づき、相関により周波数低下とともに低下する。
• DC Hall係数は温度依存性 R_H = (1/ne)·(m*/mc) を示し、単一キャリア像よりも二重質量構造を反映する。