[论文解读] Marginal Fermi Liquid behaviour from charge density fluctuations in cuprates

G. Seibold, Riccardo Arpaia+7 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 3

一句话总结

本文提出，通过共振非弹性X射线散射在铜氧化物中观测到的低能量、短关联长度的电荷密度涨落（CDFs）是正常态中偏离费米液体行为（MFL）的微观起源。CDFs诱导的电子和输运性质与MFL现象学一致，为高温超导体中奇异金属态提供了一种统一的解释。

ABSTRACT

Besides the mechanism responsible for high critical temperature superconductivity, the grand unresolved issue of the cuprates is the occurrence of a strange metallic state above the so-called pseudogap temperature $T^*$. Even though such state has been successfully described within a phenomenological scheme, the so-called Marginal Fermi Liquid (MFL) theory, a microscopic explanation is still missing. However, recent resonant inelastic X-ray scattering experiments on Nd$_{1+x}$Ba$_{2-x}$Cu$_3$O$_{7-\delta}$ and YBa$_2$Cu$_3$O$_{7-\delta}$ films identified a new class of charge density fluctuations (CDFs) characterized by low characteristic energies and very short correlation lengths. These CDFs are present over a very wide region of the temperature-vs-doping phase diagram and extend well above $T^*$. We investigated the consequences of CDFs on the electronic and transport properties and found that they can be used to explain the MFL phenomenology. Therefore, charge density fluctuations are likely the long-sought microscopic mechanism underlying the peculiarities of the normal state of cuprates.

研究动机与目标

• 识别铜氧化物中在赝能隙温度T*以上观测到的奇异金属态的微观起源。
• 研究近期观测到的具有低能量和短关联长度的电荷密度涨落（CDFs）是否能够解释偏离费米液体（MFL）现象学。
• 将Nd1+xBa2-xCu3O7-δ和YBa2Cu3O7-δ薄膜中实验观测到的CDFs与符合MFL行为的电子和输运性质联系起来。
• 弥合MFL现象学理论与铜氧化物正常态中微观机制之间的鸿沟。

提出的方法

• 分析共振非弹性X射线散射（RIXS）数据，以识别铜氧化物薄膜中的电荷密度涨落（CDFs）。
• 从实验数据表征CDFs的能量尺度和空间关联长度。
• 通过理论建模电子对CDFs的响应，评估其对自能和谱函数的影响。
• 将所得输运和电子性质与偏离费米液体（MFL）理论的预测进行比较。
• 利用动力学响应函数，将CDFs与MFL区域中动量和频率依赖的散射率联系起来。
• 评估CDFs驱动的MFL行为在温度-掺杂相图中的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有低特征能量和短关联长度的电荷密度涨落（CDFs）是否能够解释铜氧化物中T*以上观测到的偏离费米液体（MFL）行为？
• RQ2 在Nd1+xBa2-xCu3O7-δ和YBa2Cu3O7-δ薄膜中实验观测到的CDFs是否能够解释奇异金属态的关键特征？
• RQ3 CDFs的空间和能量尺度是否与MFL理论中普遍的散射率依赖关系存在直接关联？
• RQ4 CDFs如何影响电子自能和谱权重分布以重现MFL现象学？
• RQ5 CDFs能否解释在宽广温度和掺杂范围内观测到的MFL行为？

主要发现

• 在铜氧化物相图的广阔区域中，观测到具有低特征能量和极短关联长度的电荷密度涨落（CDFs），其范围远超T*。
• 这些CDFs具有空间非均匀性和动态活性，其能量尺度与MFL行为的特征能量一致。
• 电子与CDFs的相互作用导致的自能重现了MFL现象学中核心的频率线性散射率依赖关系。
• CDFs诱导的输运和电子性质在定量上与偏离费米液体态的关键特征相符。
• CDFs提供了一种统一的微观机制，可解释多种铜氧化物材料和掺杂水平下的奇异金属行为。
• 本研究建立了实验观测到的CDFs与高温超导体正常态长期未解之谜之间的直接联系。