[论文解读] Power Law Liquid - A Unified Form of Low-Energy Nodal Electronic Interactions in Hole Doped Cuprate Superconductors

T. J. Reber, Xingjiang Zhou+14 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 7

一句话总结

本文提出了'幂律液体'（Power Law Liquid, PLL）模型，这是一种对空穴掺杂铜氧化物中低能节点电子散射的统一现象学描述，其中散射率遵循掺杂依赖的幂律。该模型成功再现了广泛掺杂和温度范围内的光学与电阻率数据，包括赝能隙尺度和表观量子临界行为，且无需直接关联到反节点赝能隙。

ABSTRACT

The strange-metal phase of the cuprate high temperature superconductors, above where the superconductivity sets in as a function of temperature, is widely considered more exotic and mysterious than the superconductivity itself. Here, based upon detailed angle resolved photoemission spectroscopy measurements of Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_8$$_+$$_δ$ over a wide range of doping levels, we present a new unifying phenomenology for the non-Fermi liquid normal-state interactions (scattering rates) in the nodal direction. This new phenomenology has a continuously varying power law exponent (hence named a Power Law Liquid or PLL), which with doping varies smoothly from a quadratic Fermi Liquid to a linear Marginal Fermi Liquid and beyond. Using the extracted PLL parameters we can calculate the optics and resistivity over a wide range of doping and normal-state temperature values, with the results closely matching the experimental curves. This agreement includes the presence of the $"$pseudogap$"$ temperature scale observed in the resistivity curves including the apparent quantum critical point. This breaks the direct link to the pseudogapping of antinodal spectral weight observed at similar (but here argued to be different) temperature scales, and also gives a new direction for searches of the microscopic mechanism at the heart of these and perhaps many other non-Fermi-liquid systems.

研究动机与目标

• 识别空穴掺杂铜氧化物高温超导体非费米液体正常态相互作用的统一现象学描述。
• 解释电阻率中观测到的赝能隙温度尺度的起源，且不直接关联到反节点谱权重抑制。
• 提供一个单一框架，捕捉从二次费米液体到线性边缘费米液体行为随掺杂的散射率演化。
• 利用提取的PLL参数，在广泛掺杂和温度范围内重现实验光学与电阻率数据。
• 为识别高温超导体中非费米液体行为的微观机制提供新途径。

提出的方法

• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）测量了Bi2Sr2CaCu2O8+δ在广泛掺杂水平下的节点准粒子散射率。
• 将散射率建模为能量和温度的幂律函数，其中幂指数随掺杂连续变化。
• 利用提取的幂律参数，通过自洽输运模型计算光学电导率和电阻率。
• 通过将计算得到的电阻率和光学曲线与多个掺杂水平的实验数据对比，验证了该模型。
• 分析聚焦于节点方向，因为该方向的散射最相关于异常金属行为。
• 检验了该模型在反节点谱权重尚未抑制时，是否仍与电阻率中观测到的赝能隙尺度一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能用单一现象学模型描述空穴掺杂铜氧化物中整个掺杂范围内节点散射率的演化？
• RQ2 电阻率中的赝能隙温度尺度是否直接关联到反节点谱权重的抑制？
• RQ3 能否使用掺杂依赖的散射率幂律，定量重现不同掺杂水平下观测到的电阻率和光学响应？
• RQ4 从二次到线性散射行为的转变是否对应于量子临界点？
• RQ5 节点电子相互作用在决定超导转变温度以上异常金属行为中起什么作用？

主要发现

• 节点散射率遵循掺杂依赖的幂律，幂指数随空穴掺杂增加而平滑地从二次（费米液体）演化为线性（边缘费米液体）及更远。
• 提取的幂律参数成功再现了所有测量掺杂水平下光学电导率和电阻率的温度与掺杂依赖性。
• 该模型即使在反节点谱权重尚未抑制时，也能捕捉电阻率中的赝能隙温度尺度，表明该尺度与反节点物理的解耦。
• 电阻率中观测到的表观量子临界点可在PLL框架内自然重现，而无需直接关联到反节点赝能隙。
• PLL模型为低能节点相互作用提供了统一描述，为探究铜氧化物中非费米液体行为的微观起源提供了新路径。
• 该模型表明，仅节点散射动力学即可解释关键输运异常，挑战了反节点序对解释赝能隙必要性的观点。