[论文解读] Non-magnetic impurities as probes of insulating and doped Mott insulators in two dimensions

Subir Sachdev, Matthias Vojta|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2000

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出非磁性杂质可作为二维莫特绝缘体及掺杂高温超导体中自旋on局域化的灵敏探针。通过自旋-电荷分离和杂质磁化率分析，表明低温下呈现居里型磁响应（NMR和STM实验所证实）支持母体莫特绝缘体中的自旋on局域化，从而将其与禁闭自旋液体态区分开来。

ABSTRACT

We characterize paramagnetic Mott insulators by their response to static, non-magnetic impurities. States with spinon deconfinement (or spin-charge separation) are distinguished from those with spinon confinement by distinct impurity susceptibilities and finite-size spectra. We discuss the evolution of physical properties upon doping to a d-wave superconductor, and argue that a number of recent experiments favor spinon confinement in the reference Mott insulating state.

研究动机与目标

• 通过非磁性杂质作为探针，区分具有局域化与非局域化自旋on的顺磁性莫特绝缘体。
• 解释欠掺杂铜氧化物中的实验观测结果，特别是非磁性杂质处局域磁矩的持续存在。
• 论证观测到的居里型磁化率与自旋共振峰展宽指向母体绝缘态中的自旋on局域化。
• 将杂质附近局域磁矩的形成与掺杂莫特体系中的量子临界性及规范对称性破缺联系起来。

提出的方法

• 通过杂质磁化率与有限尺寸谱分析，研究顺磁性莫特绝缘体对静态非磁性杂质的响应。
• 利用具有各向异性交换耦合的自旋梯模型实现具有能隙S=1集体模的局域自旋on相。
• 推导出局域相中的杂质磁化率为χᵤ = (𝒜Δ)/(πcₓcᵧ) e^(−Δ/T)，显示低温下呈指数抑制。
• 比较掺杂过程中物理性质的演化：局域相表现出一个量子临界点，其中局域磁矩被Kondo屏蔽。
• 应用类似Kondo的哈密顿量，描述超导体中弱掺杂与强掺杂相之间的量子相变。
• 利用理论模型定量再现BSCCO中Zn杂质附近STM隧穿电流的异常，与局域磁矩形成一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 莫特绝缘体对非磁性杂质的响应如何区分局域化与非局域化自旋on态？
• RQ2 在掺杂铜氧化物中，哪些实验信号表明母体莫特绝缘体具有局域化自旋on而非非局域自旋液体？
• RQ3 为何NMR实验在欠掺杂YBCO中对Li杂质仍显示居里型磁化率，即使在超导态下？
• RQ4 超导体中的自旋共振模与绝缘态中的S=1激发态有何关联？
• RQ5 在绝缘态与轻度掺杂相中，规范对称性破缺与键中心条纹的作用是什么？

主要发现

• 局域自旋on相中的杂质磁化率遵循χᵤ = (𝒜Δ)/(πcₓcᵧ) e^(−Δ/T)，在低温下呈现指数抑制。
• NMR实验观测到欠掺杂YBCO中Li杂质的居里型磁化率，为T=0时局域S=1/2磁矩提供了直接证据。
• Zn掺杂后自旋共振峰展宽可由杂质附近未配对磁矩解释，支持自旋on局域化。
• BSCCO中Zn杂质附近准粒子隧穿的STM数据可由含局域磁矩的Kondo型模型定量再现。
• 分隔弱掺杂与强掺杂相的量子临界点由Kondo哈密顿量描述，该哈密顿量将局域S=1/2磁矩与无能隙的Bogoliubov准粒子耦合。
• 通过键中心条纹实现的规范对称性破缺预期存在于局域绝缘相中，且可能在轻度掺杂超导体中持续存在，实验上得到角分辨光电子能谱数据的支持。