[论文解读] Dressing due to correlations strongly reduces the effect of electron-phonon coupling

Yau-Chuen Yam, G. A. Sawatzky+1 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 49被引用 5

一句话总结

本文表明，在强关联体系（如掺杂铜氧化物）中，由于关联效应的屏蔽作用，电子-声子耦合对准粒子的影响被显著削弱。通过将三带Emery模型投影到Udd → ∞极限，研究发现尽管裸态空穴-声子耦合较强，但关联效应屏蔽后的准粒子有效质量仅略有增加，表明其有效耦合较弱，这种抑制效应源于准粒子态的多体重正化。

ABSTRACT

We investigate the difference between the coupling of a bare carrier to phonons versus the coupling of a correlations-dressed quasiparticle to phonons, and show that latter may be weak even if the former is strong. Specifically, we analyze the effect of the hole-phonon coupling on the dispersion of the quasiparticle that forms when a single hole is doped into a cuprate layer. To model this, we start from the three-band Emery model supplemented by the Peierls modulation of the $p$-$d$ and $p$-$p$ hoppings due to the motion of O ions. We then project onto the strongly correlated $U_{dd} ightarrow \infty$ limit where charge fluctuations are frozen on the Cu site. The resulting effective Hamiltonian describes the motion of a doped hole on the O sublattice, and its interactions with Cu spins and O phonons. We show that even though the hole-phonon coupling is moderate to strong, it leads to only a very minor increase of the quasiparticle's effective mass as compared to its mass in the absence of coupling to phonons, consistent with a weak coupling to phonons of the correlations-dressed quasiparticle. We explain the reasons for this suppression, revealing why it is expected to happen in any systems with strong correlations.

研究动机与目标

• 阐明强关联体系中裸载流子与关联效应屏蔽后的准粒子之间电子-声子耦合的差异。
• 研究空穴-声子耦合对掺杂铜氧化物层中准粒子能带色散的影响。
• 解释为何在强关联存在下，有效电子-声子耦合被强烈抑制。
• 证明即使裸耦合较强，准粒子有效质量仍基本保持不变。
• 提供一种适用于其他强关联材料的耦合抑制一般性机制。

提出的方法

• 从包含Peierls调制跃迁以引入氧离子运动的三带Emery模型出发。
• 投影至Udd → ∞极限，冻结铜位点上的电荷涨落，从而在氧亚晶格上获得有效哈密顿量。
• 在所得有效理论中，将掺杂空穴建模为与铜自旋和氧声子相互作用的准粒子。
• 使用解析与数值方法计算准粒子能带色散与有效质量。
• 通过比较有无声子耦合时的有效质量，量化抑制效应。
• 分析多体关联在重正化电子-声子顶点并降低有效耦合强度中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强关联体系中，电子-声子耦合如何影响准粒子的有效质量？
• RQ2 为何关联效应屏蔽后的准粒子与声子的有效耦合显著弱于裸载流子？
• RQ3 Udd → ∞极限在多大程度上抑制了空穴-声子相互作用对准粒子性质的影响？
• RQ4 Zhang-Rice singlet态与三自旋极化子态在介导声子耦合中起什么作用？
• RQ5 该电子-声子耦合的抑制效应能否推广至其他强关联材料？

主要发现

• 尽管裸空穴-声子耦合为中等至强，但准粒子有效质量在与声子耦合时仅略有增加。
• 电子-声子耦合的抑制源于准粒子的多体屏蔽效应，该效应重正化了耦合顶点。
• 即使裸载流子耦合较强，关联效应屏蔽后的准粒子仍表现出弱耦合行为。
• 这种抑制是强关联体系的普遍特征，不仅限于铜氧化物体系。
• 该结果解释了为何高温超导体中常观察不到强电子-声子耦合的实验信号。
• 本研究为解释铜氧化物中电子-声子耦合实验观测结果的矛盾提供了理论框架。