[论文解读] Analysis of the Quasiparticle Spectral Function in the Underdoped Cuprates

Maxim Khodas, Huanan Yang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2010

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 5

一句话总结

本文通过改进的YRZ准粒子谱函数方法，研究了在热涨落下欠掺杂铜氧化物中费米口袋的稳定性。通过将RVB能隙视为具有幂律相关涨落的临界伊辛序参量，结果表明尽管存在涨落，费米口袋依然存在，且当相关指数加倍时，谱线宽与实验ARPES数据一致。准粒子峰的各向异性抑制再现了观测到的费米弧结构。

ABSTRACT

We applied the approach of K.-Y. Yang, T. M. Rice and F.-Ch. Zhang (YRZ) to analyze the high resolution angular resolved photo-emission spectroscopy (ARPES) data in BiSCO obtained recently at Brookhaven. In the YRZ ansatz a constant RVB gap is assumed which leads to Luttinger zeros along the antiferromagnetic Brillouin zone (AFBZ) and four Fermi pockets centered on the nodal directions. We relax the assumption of a constant RVB gap function, treating it as a Ising order parameter accompanied by thermal fluctuations. If these thermal fluctuations are very strong leading to strictly short range correlations in the spatial dependence of the RVB gap, then the reconstruction of the Fermi surface into pockets will not survive. We examined the intermediate case of critical fluctuations leading to a power law falloff of the RVB gap correlations. To this end we followed the analysis recently developed by two of us to treat the effect of the power law correlations in the antiferromagnetic 2-dimensional xy model on the single electron Green's function. The partial truncation of the Fermi surface to form pockets survives in the presence of power law correlations. The linewidth of the quasiparticle peaks increases with the exponent of the power law correlations. If this exponent is set at the value of critical fluctuations in the 2-dimensional Ising model a relatively small linewidth is obtained. If this exponent is doubled, a linewidth comparable to the values found in recent ARPES experiments on underdoped BiSCO (Tc = 65 K) at T = 140K was obtained. The anisotropic suppression of the quasiparticle peak around the Fermi pockets hides the back side of the pockets closest to the AFBZ to give essentially Fermi arcs seen experimentally.

研究动机与目标

• 评估在热涨落下，欠掺杂铜氧化物中费米面重构为口袋的鲁棒性。
• 检验当引入涨落时，基于恒定RVB能隙的YRZ假设是否仍然有效。
• 确定RVB能隙中的幂律相关涨落是否能再现实验观测到的准粒子谱线宽和费米弧形态。
• 对比临界涨落（幂律相关）与短程涨落（无长程序）对费米面拓扑结构的影响。
• 将理论谱特征与Bi2201在T = 140 K、Tc = 65 K下的实验ARPES数据联系起来。

提出的方法

• 通过用空间相关伊辛序参量替代恒定RVB能隙，改进YRZ假设。
• 将热涨落建模为RVB能隙函数中幂律衰减的相关性，其中指数d控制关联长度。
• 应用源自二维XY模型的场论方法，计算具有幂律相关能隙的单粒子格林函数。
• 使用自能形式计算准粒子响应的实部（能带位移）和虚部（谱线宽）。
• 通过调节临界维数d使模型与实验ARPES数据匹配，以拟合观测到的谱线宽和口袋几何形状。
• 采用几何拟合程序，将椭圆口袋形状和费米面尖端位置与实验数据匹配，估算能量尺度TK。

实验结果

研究问题

• RQ1 当RVB能隙受到具有幂律相关的热涨落影响时，YRZ假设中费米口袋的形成机制是否仍能维持？
• RQ2 幂律相关指数d对谱函数中准粒子谱线宽的影响是什么？
• RQ3 由于涨落能隙导致的准粒子峰各向异性抑制，是否能再现ARPES实验中观测到的费米弧形态？
• RQ4 与临界涨落（d ≈ 0.125）相比，更强的涨落（d = 0.25）在谱线展宽和口袋稳定性方面有何差异？
• RQ5 在存在涨落的情况下，自能的实部与虚部在决定费米口袋是否能存活方面分别起什么作用？

主要发现

• 在幂律相关热涨落下，费米口袋依然存在，表明YRZ型重构具有鲁棒性。
• 当相关指数d从0.125加倍至0.25时，预测的准粒子谱线宽增加至与Bi2201在T = 140 K下的ARPES测量结果一致。
• 当d = 0.125时，谱线宽相对较小，与二维伊辛模型中的临界涨落一致。
• 在口袋周围谱权重的各向异性抑制隐藏了AFBZ附近的区域，再现了实验观测到的费米弧。
• 在缺乏长程序的情况下，由于自能中实部缺失，口袋被破坏；但临界涨落可使其得以保留。
• 能量尺度TK ≈ 54 meV（d = 0.125）和TK ≈ 67 meV（d = 0.25）与赝能隙能量尺度T*处于同一数量级。