[论文解读] Cooling a polaronic liquid: Phase mixture and pseudogap-like spectra in superconducting $Ba_{1-x}K_{x}BiO_{3}$

Muntaser Naamneh, M. Yao+18 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 39被引用 4

一句话总结

本研究揭示，在接近最佳掺杂的超导 Ba₁₋ₓKₓBiO₃ 中，当 Tₚ > T_c 时发生相变，诱导金属-绝缘体相分离，其中绝缘性双极子岛从无序的极化子液体中析出。ARPES 与拉曼数据表明，费米能级附近出现类似赝能隙的谱重抑制，其驱动力为电子平均自由程的交叉转变，通过极化子相分离为赝能隙提供隐藏序的解释。

ABSTRACT

Many complex electronic systems exhibit so-called pseudogaps, which are poorly-understood suppression of low-energy spectral intensity in the absence of an obvious gap-inducing symmetry. Here we investigate the superconductor $Ba_{1-x}K_{x}BiO_{3}$ near optimal doping, where unconventional transport behavior and evidence of pseudogap(s) have been observed above the superconducting transition temperature $T_{c}$, and near an insulating phase with long-range lattice distortions. Angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) reveals a dispersive band with vanishing quasiparticle weight and "tails" of deep-energy intensity that strongly decay approaching the Fermi level. Upon cooling below a transition temperature $T_{p} > T_{c}$, which correlates with a change in the slope of the resistivity vs. temperature, a partial transfer of spectral weight near $E_{F}$ into the deep-binding energy tails is found to result from metal-insulator phase separation. Combined with simulations and Raman scattering, our results signal that insulating islands of ordered bipolarons precipitate out of a disordered polaronic liquid and provide evidence that this process is regulated by a crossover in the electronic mean free path.

研究动机与目标

• 理解在 T_c 以上 Ba₁₋ₓKₓBiO₃ 中赝能隙样谱特征的起源。
• 研究电子-晶格相互作用与极化子效应在驱动电子非均匀性中的作用。
• 确定所观察到的赝能隙行为是否源于某种隐藏序，例如相分离的双极子态。
• 将电阻率异常与电子谱变化相关联，并确定相变温度 Tₚ。
• 检验电子平均自由程交叉转变是否控制谱重转移的起始。

提出的方法

• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）对近最佳掺杂（x ≈ 0.39）的 Ba₁₋ₓKₓBiO₃ 薄膜进行电子能带结构与谱重分布的测绘。
• 使用低功率 514.5 nm 激光对 Ba₁₋ₓKₓBiO₃ 薄膜与 SrTiO₃ 基底进行拉曼散射测量，以探测晶格与电子激发，基底贡献已扣除。
• 采用二维 Lieb 晶格上的三轨道 Su-Schrieffer-Heeger 模型模拟电子-晶格耦合，其中跃迁积分由氧位移变量 x_r 与 y_r 调制。
• 通过最小化总能量 E 求解平衡原子位移，利用费米-狄拉克分布计算占据态与谱重函数。
• 通过格林函数形式计算谱重函数 A(k,ω)，并引入 δ = 0.3 eV 的展宽以包含多体效应。
• 采用密度泛函理论导出的参数，包括 t_sp = 2.08 eV，t_pp = 0.056 eV，电子-声子耦合 α = 4a⁻¹，K = 0.104 eV/a²。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 T_c 以上，Ba₁₋ₓKₓBiO₃ 中费米能级附近谱重的赝能隙样抑制由何引起？
• RQ2 在 Tₚ > T_c 处的电阻率异常如何与电子谱变化及相分离相关联？
• RQ3 所观察到的谱特征是否可由无序极化子液体中绝缘性双极子岛的形成来解释？
• RQ4 电子平均自由程在调控 Tₚ 处相变中的作用是什么？
• RQ5 该体系中的赝能隙是否为隐藏序（如相分离的双极子）的特征，而非涨落或预形成对态？

主要发现

• 在 Tₚ ≈ 140 K 处存在明显相变，表现为电阻率-温度曲线斜率的变化，该相变与 ARPES 谱中费米能级附近谱重部分向深束缚能级尾部转移相关。
• 谱重转移归因于金属-绝缘体相分离，即有序双极子的绝缘岛从无序极化子液体中析出。
• ARPES 显示具有发散准粒子权重与强强度衰减的色散能带，表明存在强烈的多体效应。
• 拉曼散射证实了晶格畸变与局域极化子模式的存在，支持局域双极子态的形成。
• 在具有电子-晶格耦合的二维 Lieb 晶格上的理论模拟重现了所观测到的谱特征，包括赝能隙样抑制与谱重再分布。
• 电子平均自由程在 Tₚ 处的交叉转变控制了相分离的起始，表明电子局域化在驱动赝能隙行为中起关键作用。