[论文解读] Optical Response of Sr$_2$RuO$_4$ Reveals Universal Fermi-liquid Scaling and Quasiparticles Beyond Landau Theory

D. Stricker, Jernej Mravlje+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2014

Advanced Condensed Matter Physics被引用 4

一句话总结

本研究在Sr₂RuO₄的光学响应中证实了普遍费米液体标度律，验证了弛豫率1/τ ∝ (ħω)² + (2πkBT)²的理论预测（p=2）。通过高分辨率光学测量与动力学平均场理论（DMFT）计算，发现0.1 eV以上存在显著的额外光谱权重，表明存在具有强色散性的‘坚韧’准粒子激发，揭示了在低能区之外对朗道费米液体理论的偏离。

ABSTRACT

We report optical measurements demonstrating that the low-energy relaxation rate ($1/τ$) of the conduction electrons in Sr$_2$RuO$_4$ obeys scaling relations for its frequency ($ω$) and temperature ($T$) dependence in accordance with Fermi-liquid theory. In the thermal relaxation regime, $1/τ\propto (\hbarω)^2 + (pπ\kB T)^2$ with $p=2$, and $ω/T$ scaling applies. Many-body electronic structure calculations using dynamical mean-field theory confirm the low-energy Fermi-liquid scaling, and provide quantitative understanding of the deviations from Fermi-liquid behavior at higher energy and temperature. The excess optical spectral weight in this regime provides evidence for strongly dispersing "resilient" quasiparticle excitations above the Fermi energy.

研究动机与目标

• 建立Sr₂RuO₄光学响应中的普遍费米液体标度律，特别是弛豫率的理论预测p=2依赖关系。
• 识别并表征在较高能量和温度下的费米液体行为偏离。
• 将光学电导率中观察到的额外光谱权重与费米能级以上强色散性、坚韧的准粒子激发的存在联系起来。
• 通过动力学平均场理论（DMFT）计算验证这些偏离的理论描述。

提出的方法

• 对单晶Sr₂RuO₄进行了高分辨率光学光谱测量（0.1 meV分辨率），以测定光学电导率的频率与温度依赖性。
• 分析弛豫率1/τ与ω和T的标度关系，检验费米液体理论预测1/τ ∝ (ħω)² + (pπkBT)²。
• 利用真实的电子结构输入进行动力学平均场理论（DMFT）计算，以模拟光学响应与自能。
• 通过能量反射构建粒子与空穴型自能，以分离对光学电导率的贡献。
• 使用满足克雷默-克罗尼格关系的自能来计算光学电导率，并测试具有饱和虚部的模型自能，以重现实验中的偏离。
• 计算并比较实验与理论的内存函数，以分析自能实部及其非费米液体特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 Sr₂RuO₄中的光学弛豫率是否遵循普遍费米液体标度律1/τ ∝ (ħω)² + (pπkBT)²且p=2？
• RQ2 0.1 eV以上光学电导率中观察到的额外光谱权重由何引起，其与准粒子动力学有何关联？
• RQ3 观察到的费米液体行为偏离是否与费米能级以上强色散性的‘坚韧’准粒子激发的存在有关？
• RQ4 动力学平均场理论（DMFT）在多大程度上能定量重现实验光学谱与自能特征？

主要发现

• Sr₂RuO₄中的光学弛豫率表现出p=2的普遍费米液体标度律，证实了理论预测1/τ ∝ (ħω)² + (2πkBT)²。
• 高分辨率光学测量在热力学区域显示出清晰的ω/T标度关系，实验与费米液体标度函数之间具有极佳的一致性。
• 在0.1 eV以上观察到额外光谱权重，归因于未占据电子态中具有强色散性的‘坚韧’准粒子激发。
• DMFT计算成功重现了实验光学谱与自能，表明额外电导率主要源于自能的电子（正能）部分。
• 偏离费米液体行为的驱动力是自能虚部在正能侧约0.1 eV处的急剧饱和，导致自能实部出现拐点。
• 自能的拐点以及由此在k-分辨谱函数中形成的倒置瀑布结构，与费米能级以上高度色散、坚韧的准粒子激发的出现直接相关。