[论文解读] A strongly correlated electron model for the layered organic superconductors kappa-(BEDT-TTF)2X

Ross H. McKenzie|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 1998

Organic and Molecular Conductors Research参考文献 6被引用 11

一句话总结

本文提出了一种在各向异性三角晶格上、每个格点一个电子的 Hubbard 模型，用于描述 kappa-(BEDT-TTF)2X 有机超导体中的强关联电子行为。该模型解释了观测到的低有效费米能 (~100 K)、磁阻挫以及接近金属-绝缘体相变的特性，与实验中观察到的非传统金属态和超导性质一致。

ABSTRACT

The fascinating electronic properties of the family of layered organic molecular crystals kappa-(BEDT-TTF)2X where X is an anion (e.g., X=I3, Cu[N(CN)2]Br, Cu(SCN)2) are reviewed. These materials are particularly interesting because of similarities to the high-$T_c$ cuprate superconductors including unconventional metallic properties and competition between antiferromagnetism and superconductivity. The temperature dependence of electrical transport, optical, and nuclear magnetic resonance properties deviate significantly from those of a conventional metal. In particular, there appears to be an effective Fermi energy of the order of 100 K which is an order of magnitude smaller than predicted by band structure calculations. The results of quantum chemistry calculations suggest that a minimal theoretical model that can describe these materials is a Hubbard model on an anisotropic triangular lattice with one electron per site. Appropriate parameter values for the model imply that the electronic correlations are strong, significant magnetic frustration is present, and the system is close to a metal-insulator transition. Insight into the physics of this model can be obtained from recent studies of the Hubbard model using a dynamical mean-field approximation. They are consistent with a low effective Fermi energy and the unconventional temperature dependence of many of the properties of the metallic phase. Future directions are suggested for both theoretical and experimental studies.

研究动机与目标

• 解释 kappa-(BEDT-TTF)2X 有机超导体中偏离传统金属行为的非传统电子性质。
• 解决实验观测到的有效费米能 (~100 K) 与理论能带结构预测之间的差异。
• 识别一个能捕捉强电子关联、磁阻挫以及接近金属-绝缘体相变的最小理论模型。
• 提供一个与这些材料中光学、输运和 NMR 测量结果一致的理论框架。
• 为未来强关联有机超导体的理论与实验研究提供指导。

提出的方法

• 采用一个在各向异性三角晶格上、每个格点一个电子的最小 Hubbard 模型，以描述电子结构。
• 使用量子化学计算确定有效模型参数，包括原子间库仑排斥能 (U) 和跃迁积分 (t)。
• 应用动力学平均场理论 (DMFT) 近似求解 Hubbard 模型，并分析其低能物理行为。
• 将模型预测与实验中关于电输运、光学电导率和核磁共振 (NMR) 响应的数据进行比较。
• 评估磁阻挫与电子关联强度在决定系统接近金属-绝缘体相变中的作用。
• 利用该模型解释电子性质的异常温度依赖性，如电阻率和自旋磁化率。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在 kappa-(BEDT-TTF)2X 材料中，有效费米能仅约为 ~100 K，尽管能带结构计算预测其值要高得多？
• RQ2 强电子关联与磁阻挫在多大程度上影响这些有机超导体的电子性质？
• RQ3 为何在各向异性三角晶格上的 Hubbard 模型能够解释观测到的非传统金属态与超导行为？
• RQ4 动力学平均场近似在解释该体系低能物理行为中起到何种作用？
• RQ5 该系统距离金属-绝缘体相变有多近？这对超导性有何影响？

主要发现

• 在 kappa-(BEDT-TTF)2X 中，有效费米能约为 100 K，比能带结构计算预测的值小一个数量级。
• 量子化学计算支持一个具有强电子关联、显著磁阻挫以及参数显示接近金属-绝缘体相变的 Hubbard 模型。
• Hubbard 模型的动态平均场理论 (DMFT) 解能重现实验中观测到的输运性质和响应函数的非传统温度依赖性。
• 该模型解释了光学与 NMR 数据偏离费米液体行为的现象，表明金属相具有非费米液体特性。
• 系统表现出反铁磁性与超导性的竞争，类似于高温超导铜氧化物，暗示存在共同的底层物理机制。
• 结果表明，这些有机超导体处于强关联区域，传统能带理论失效，必须采用多体理论方法。