[论文解读] Doping a Mott Insulator: Physics of High Temperature Superconductivity

Patrick A. Lee, Naoto Nagaosa+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2004

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 2被引用 8

一句话总结

该论文提出，铜氧化物中的高温超导性源于对莫特绝缘体的掺杂，赝能隙相源自由SU(2)从属玻色子规范场理论描述的量子自旋液体态。该研究引入共振价键（RVB）图像，并表明掺杂莫特态中的规范涨落可解释费米弧、赝能隙和d波超导性等关键特征，提供了一个超越对称性破缺理论的统一框架。

ABSTRACT

This article reviews the effort to understand the physics of high temperature superconductors from the point of view of doping a Mott insulator. The basic electronic structure of the cuprates is reviewed, emphasizing the physics of strong correlation and establishing the model of a doped Mott insulator as a starting point. A variety of experiments are discussed, focusing on the region of the phase diagram close to the Mott insulator (the underdoped region) where the behavior is most anomalous. We introduce Anderson's idea of the resonating valence bond (RVB) and argue that it gives a qualitative account of the data. The importance of phase fluctuation is discussed, leading to a theory of the transition temperature which is driven by phase fluctuation and thermal excitation of quasiparticles. We then describe the numerical method of projected wavefunction which turns out to be a very useful technique to implement the strong correlation constraint, and leads to a number of predictions which are in agreement with experiments. The remainder of the paper deals with an analytic treatment of the t-J model, with the goal of putting the RVB idea on a more formal footing. The slave-boson is introduced to enforce the constraint of no double occupation. The implementation of the local constraint leads naturally to gauge theories. We give a rather thorough discussion of the role of gauge theory in describing the spin liquid phase of the undoped Mott insulator. We next describe the extension of the SU(2) formulation to nonzero doping. We show that inclusion of gauge fluctuation provides a reasonable description of the pseudogap phase.

研究动机与目标

• 理解铜氧化物中高温超导性如何从掺杂莫特绝缘体中涌现。
• 解释欠掺杂区异常正常态行为，特别是赝能隙现象。
• 基于量子自旋液体序和规范场论，为赝能隙相提供微观理论。
• 在单一理论框架内统一d波超导性、自旋液体物理与相位涨落。
• 提出赝能隙自旋液体起源的可检验特征，如轨道电流序和涡旋核心结构。

提出的方法

• 以t-J模型作为掺杂莫特绝缘体的起始哈密顿量，包含强电子关联。
• 应用SU(2)从属玻色子形式以强制满足无双占位约束，并推导出涌现规范场论。
• 采用平均场理论与规范涨落分析，描述条状通量自旋液体相及其与赝能隙的关系。
• 引入投影波函数以数值实现强关联约束，并预测谱函数。
• 分析相位涨落与涡旋激发在决定Tc中的作用，特别是在Nernst区。
• 推导有效场论，包括金兹堡-朗道和σ-模型描述，以研究超导序与集体模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 掺杂莫特绝缘体如何导致铜氧化物中的高温超导性？
• RQ2 欠掺杂铜氧化物中赝能隙的微观起源是什么？它与传统费米液体行为有何不同？
• RQ3 共振价键（RVB）态及其规范场论描述能否解释观测到的费米弧与谱学特征？
• RQ4 规范涨落与拓扑序在稳定赝能隙相及实现d波超导性中扮演何种角色？
• RQ5 哪些实验特征可将赝能隙的量子自旋液体起源与竞争序或热效应区分开来？

主要发现

• 欠掺杂铜氧化物中的赝能隙相最适于理解为掺杂量子自旋液体，具体为具有涌现U(1)或SU(2)规范结构的条状通量液体。
• SU(2)从属玻色子形式自然导致自旋-电荷分离与分数化激发，表明一种超越朗道对称性破缺的新型量子序。
• SU(2)平均场相中的规范涨落增强(π,π)自旋涨落，定量解释了角分辨光电子能谱（ARPES）中观测到的赝能隙与费米弧结构。
• d波超导态源自稳定的U(1)自旋液体，表明相图中超导性与自旋液体序密切相关。
• 投影波函数再现了关键实验特征，如单空穴谱函数以及掺杂后费米面演化为弧状结构。
• 该理论预测超导态中存在新型集体模式，且涡旋核心中存在准静态轨道电流序，为底层自旋液体提供了可检验的特征。