[论文解读] On the dynamic distinguishability of nodal quasi-particles in overdoped cuprates

Kamran Behnia|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 64被引用 6

一句话总结

本文提出，过掺杂铜氧化物中奇异金属行为的出现源于强电子-电子相互作用导致节点准粒子的动力学可区分性。通过将过掺杂La1.67Sr0.33CuO4中的电子-电子碰撞速率与接近凝固的液态³He进行比较，作者表明，异常大的散射速率（以ℓquad ≈ 240 nm量化）导致准粒子简并性的破坏，从而实现线性于T的电阻率，并标志着在超导穹顶边缘出现非费米液体行为的临界点。

ABSTRACT

La$_{1.67}$Sr$_{0.33}$CuO$_4$ is not a superconductor and its resistivity follows a purely T$^2$ temperature dependence at very low temperatures. La$_{1.71}$Sr$_{0.29}$CuO$_4$, on the other hand, has a superconducting ground state together with a T-Linear term in its resistivity. The concomitant emergence of these two features below a critical doping is mystifying. Here, I notice that the electron-electron collision rate in the Fermi liquid above the doping threshold is unusually large. The scattering time of nodal quasi-particles expressed in a dimensionless parameter $\zeta$ is very close to what has been found in liquid $^3$He at its melting pressure. In the latter case, fermionic particles become dynamically distinguishable by excess of interaction. Ceasing to be dynamically indistinguishable, nodal electrons will be excluded from the Fermi sea. Such non-degenerate carriers will then scatter the degenerate ones within a phase space growing linearly with temperature.

研究动机与目标

• 解释在临界掺杂p ≈ 0.3附近，过掺杂铜氧化物中超导性与线性于T的电阻率共存的机制。
• 研究为何La1.67Sr0.33CuO4（一种费米液体）的电阻率T²系数比Kadowaki-Woods标度预测值大五倍。
• 探讨强相互作用引起的准粒子动力学生可区分性是否能解释超导穹顶边缘费米液体行为的破缺。
• 在电子行为方面，建立过掺杂铜氧化物与³He从量子液相到固相转变（特别是接近熔化压力时）之间的类比。

提出的方法

• 通过Kadowaki-Woods（KW）图A与Sommerfeld系数γ的关系，将La1.67Sr0.33CuO4中的T²电阻率系数A与其他费米液体进行比较。
• 引入无量纲参数ζ = (τκT²)⁻¹ℏEF/kB以量化有效散射速率，类比于³He中的准粒子寿命倒数。
• 利用液态³He的热导率与比热实验数据提取τκT²与EF，从而与铜氧化物数据进行对比。
• 定义一个现象学长度尺度ℓquad = (e²/ℏ)⁻¹A (kB/EF)⁻²，以分离相互作用强度与态密度的影响。
• 分析³He中有效质量、费米能与准粒子散射时间的压强依赖性，识别在接近凝固时动态可区分性的起始点。
• 应用动态可区分性概念——即由于强相互作用，准粒子失去量子不可区分性——以解释过掺杂铜氧化物中线性于T的电阻率的出现。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何La1.67Sr0.33CuO4的电阻率与Kadowaki-Woods标度的偏离如此显著，尽管它是一种费米液体？
• RQ2 在p ≈ 0.3附近，过掺杂铜氧化物中超导性与线性于T的电阻率共存的物理机制是什么？
• RQ3 在强关联金属中，准粒子简并性的破缺是否可通过类比于接近凝固的液态³He中观察到的动态可区分性来理解？
• RQ4 过掺杂铜氧化物中的电子-电子散射速率与量子液体（如³He）相比在定量上如何？这对正常态的性质有何启示？

主要发现

• La1.67Sr0.33CuO4中的T²电阻率系数A比Kadowaki-Woods标度预测值大五倍，表明电子-电子相互作用异常强烈。
• 在La1.67Sr0.33CuO4中推导出的长度尺度ℓquad ≈ 240 nm远大于所有其他已知费米液体中的1–50 nm范围，表明常规费米液体行为的破缺。
• 代表准粒子寿命归一化倒数的无量纲参数ζ在La1.67Sr0.33CuO4与³He在熔化压力下的值相当，表明两者具有相似的动态可区分性水平。
• 在接近凝固的³He中，准粒子散射时间τκ与T⁻²成正比，且有效质量随压强增加，与相互作用增强一致。
• 在³He中动态可区分性的起始点——费米子失去量子不可区分性——导致散射相空间随温度线性增长，从而解释了线性于T的电阻率的出现。
• 从具有T²电阻率的费米液体（La1.67Sr0.33CuO4）到具有T线性电阻率的奇异金属（La1.71Sr0.29CuO4）的转变，归因于强相互作用导致的准粒子简并性丧失，其程度由ζ与ℓquad量化。