[论文解读] Spin scattering turns complex at strong coupling: the key to pseudogap and Fermi arcs in the Hubbard model

Friedrich Krien, Paul Worm+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 72被引用 5

一句话总结

该论文提出，在 Hubbard 模型中，强耦合与粒子-空穴不对称性会诱导自旋-费米子顶点出现较大的虚部，该虚部驱动了反节点区域附近的赝能隙形成，并保护节点附近的费米弧。与弱耦合自旋涨落不同，该机制通过超越微扰论的顶点修正，解释了空穴掺杂铜氧化物中能谱隙与碎片化费米面共存的现象。

ABSTRACT

We analyze the pseudogap phenomenon of hole-doped cuprates via a Feynman-diagrammatic inspection of the Hubbard model. Our approach captures the pivotal interplay between Mott localization and Fermi surface topology beyond weak-coupling spin fluctuations, which open a spectral gap near hot spots. We show that strong coupling and particle-hole asymmetry give rise to another mechanism: the spin-fermion vertex develops a large imaginary part. While its real part always suppresses the electronic lifetime, the imaginary part has a twofold effect. For antinodal fermions a gap opening is boosted; conversely, around the node Fermi arcs are protected.

研究动机与目标

• 理解在弱耦合自旋涨落理论之外，空穴掺杂铜氧化物中赝能隙与费米弧的起源。
• 研究强耦合与粒子-空穴不对称性如何改变自旋-费米子顶点与电子自能。
• 明确自旋-费米子顶点虚部在塑造能谱隙与费米面重构中的作用。
• 解释赝能隙相中反节点与节点准粒子行为的差异。

提出的方法

• 采用费曼图技术分析强耦合下的 Hubbard 模型。
• 在微扰论之外，追踪自旋-费米子顶点函数的动量与频率依赖性。
• 分析顶点的实部与虚部，评估其对电子自能与寿命的影响。
• 聚焦 Mott 局域化与费米面拓扑结构之间的相互作用，以确定谱学性质。
• 利用顶点修正来模拟强关联如何改变准粒子能带色散与能隙形成。
• 比较顶点实部与虚部对反节点与节点费米子的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 与弱耦合区域相比，强耦合如何改变 Hubbard 模型中的自旋-费米子顶点？
• RQ2 自旋-费米子顶点的虚部在诱导能谱隙与费米弧中起什么作用？
• RQ3 为何在赝能隙相中，反节点准粒子比节点准粒子更容易形成能隙？
• RQ4 Hubbard 模型中的粒子-空穴不对称性如何影响顶点函数与电子自能？
• RQ5 仅通过顶点修正能否解释赝能隙与碎片化费米面的共存，而无需引入预配对态？

主要发现

• 在强耦合下，自旋-费米子顶点的虚部显著增强，导致电子自能出现非微扰修正。
• 虽然顶点实部普遍抑制电子寿命，但虚部在反节点区域增强了能隙形成。
• 在费米面节点附近，顶点虚部保护了准粒子，从而导致费米弧的形成。
• 该机制独立于弱耦合自旋涨落，为赝能隙与费米弧提供了独立的起源。
• Hubbard 模型中的粒子-空穴不对称性对于生成顶点函数中大的虚部分量至关重要。
• 热点附近的能谱隙并非仅由自旋涨落交换引起，而是强耦合顶点修正与复杂动力学共同作用的结果。