[论文解读] On the mass enhancement near optimal doping in high magnetic fields in the cuprates

T. Senthil|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 8

一句话总结

该论文提出，在强磁场下，铜氧化物在最佳掺杂附近的有效质量增强源于由大费米面热点处的量子临界涨落驱动的双向电荷序诱导的节点电子口袋角部的各向异性质量重正化。当量子临界指数 $ z_H > 2 $ 时，这种各向异性质量增强导致朗道能级有效质量发散，从而在不需零场输运中质量发散的前提下，解释了在 $ x \approx 0.18 $ 处观测到的 $ m^* $ 发散现象。

ABSTRACT

Recent observation of a mass enhancement in high magnetic fields in nearly optimally doped cuprates poses several puzzles. For the suggested nodal electron pocket induced by bidirectional charge order in high field, we propose that the mass enhancement is very anisotropic around the small Fermi surface. The corners of the pocket are proposed to have a big enhancement without any enhancement along the diagonal nodal direction. A natural mechanism for such angle dependent mass enhancement comes from the destruction of the Landau quasiparticle at hot spots on the large Fermi surface at a proximate quantum critical point. The possibility of a divergent cyclotron effective mass is discussed within a scaling theory for such a quantum critical point. We consider both a conventional quantum critical point associated with the onset of charge order in a metal and an unconventional one where an antinodal pseudogap opens simultaneously with the onset of charge order. The latter may describe the physics of the strange metal regime at zero magnetic field.

研究动机与目标

• 解决在铜氧化物中，尽管零场输运中未观测到类似增强，但在高磁场下接近最佳掺杂时，准粒子有效质量 $ m^* $ 显著增强的谜题。
• 解释在 $ x \approx 0.18 $ 处观测到的 $ m^* $ 发散现象，该点与电荷序的出现及其他量子临界现象同时发生。
• 解释量子振荡实验中观测到的角度依赖质量增强现象，即仅在费米面特定区域出现显著的 $ m^* $ 增强。
• 在欠掺杂铜氧化物高场金属态背景下，区分常规与非常规量子临界点。
• 建立一个标度理论，将朗道能级有效质量的发散与热点处量子临界涨落的临界指数联系起来。

提出的方法

• 提出一种量子临界理论，其中费米面热点附近的电子格林函数表现出具有非平凡指数 $ z_H $ 和 $ \alpha_H $ 的修正标度形式。
• 推导出在热点附近费米速度满足 $ v_F \sim |k_\parallel|^{z_H - 1} $，导致电子口袋角部质量增强。
• 利用格林函数的标度形式，计算对量子振荡质量的贡献 $ m^*_{QO} \sim \Delta^{2/z_H - 1} $，当 $ z_H > 2 $ 时该量发散。
• 将标度理论应用于常规与非常规量子临界点，后者包含赝能隙与电荷序同时出现。
• 分析热点与非热点格林函数之间的匹配条件，推导出有效质量的角度依赖性。
• 考虑朗道能级质量在费米面上的平均效应，表明角部增强的 $ m^* $ 主导可观测的 $ m^*_{QO} $。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在接近最佳掺杂的高磁场下，准粒子有效质量 $ m^* $ 显著增强，而零场输运中却未观测到此类增强？
• RQ2 如何调和在 $ x \approx 0.18 $ 处观测到的 $ m^* $ 发散现象与零场角分辨光电子能谱（ARPES）及输运测量中未见质量增强之间的矛盾？
• RQ3 量子振荡实验中观测到的各向异性质量增强的起源是什么？为何其在口袋角部显著，而在节点方向则缺失？
• RQ4 为使朗道能级有效质量发散，临界指数 $ z_H $ 和 $ \alpha_H $ 需满足什么条件？这又对量子临界点的本质意味着什么？
• RQ5 高场金属态的性质如何与零场下的奇异金属态和赝能隙相联系？

主要发现

• 有效质量增强具有高度各向异性，仅在节点电子口袋的角部出现显著增强，而在节点方向则可忽略。
• 当量子临界指数 $ z_H > 2 $ 时，量子振荡质量 $ m^*_{QO} $ 发散，为在 $ x \approx 0.18 $ 处观测到的 $ m^* $ 发散提供了机制。
• 朗道能级有效质量主要由费米面角部区域主导，这些区域因热点处的临界涨落导致费米速度被抑制。
• 标度理论预测 $ m^*_{QO} \sim \Delta^{2/z_H - 1} $，当 $ z_H > 2 $ 时可能出现发散，与在最佳掺杂处观测到的 $ m^* $ 发散实验结果一致。
• 该理论区分了常规与非常规量子临界点，后者涉及赝能隙与电荷序同时出现，可能描述了零场下的奇异金属态。
• 该模型解释了为何输运实验无法探测到质量增强——因为各向异性的 $ m^* $ 不影响平均输运性质，后者依赖于费米面的不同区域。