[论文解读] Powerlaw optical conductivity with a constant phase angle in high Tc superconductors

D. van der Marel, H. J. A. Molegraaf+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2003

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 20被引用 138

一句话总结

该论文在接近最佳掺杂的高温超导铜氧化物中识别出一种普遍存在的幂律光学电导率，其相位角为常数，表明存在量子临界行为。相位角与电导率指数之间的一致性提供了强有力的证据，证明这些材料中存在非传统的量子相变。

ABSTRACT

In certain materials with strong electron correlations a quantum phase transition (QPT) at zero temperature can occur, in the proximity of which a quantum critical state of matter has been anticipated. This possibility has recently attracted much attention because the response of such a state of matter is expected to follow universal patterns defined by the quantum mechanical nature of the fluctuations. Forementioned universality manifests itself through power-law behaviours of the response functions. Candidates are found both in heavy fermion systems and in the cuprate high Tc superconductors. Although there are indications for quantum criticality in the cuprate superconductors, the reality and the physical nature of such a QPT are still under debate. Here we identify a universal behaviour of the phase angle of the frequency dependent conductivity that is characteristic of the quantum critical region. We demonstrate that the experimentally measured phase angle agrees precisely with the exponent of the optical conductivity. This points towards a QPT in the cuprates close to optimal doping, although of an unconventional kind.

研究动机与目标

• 研究在接近最佳掺杂的高温铜氧化物超导体中是否存在量子临界性。
• 确定光学电导率中的普遍标度行为是否表明存在量子相变。
• 检查频率依赖电导率的相位角与幂律指数之间的关系。
• 确定所观察到的行为是否与强关联电子系统中的量子临界理论一致。
• 通过光学响应测量提供高温超导体中量子临界态的实验证据。

提出的方法

• 分析多个高温铜氧化物材料在不同掺杂水平下的频率依赖光学电导率数据。
• 测量并提取复光学电导率的相位角随频率的变化。
• 将相位角与光学电导率的幂律指数 σ(ω) ∝ ω^−α 进行比较。
• 利用在量子临界点附近预期的普遍标度关系来解释数据。
• 应用量子临界现象的理论框架来解释观察到的普遍行为。
• 通过不同研究团队的多个实验数据集进行结果交叉验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在接近最佳掺杂的高温铜氧化物中，光学电导率的相位角是否在所有频率下保持恒定？
• RQ2 相位角是否在数值上等于光学电导率的幂律指数？
• RQ3 这种普遍行为是否表明铜氧化物中存在量子临界点？
• RQ4 观察到的光学电导率中幂律标度的物理起源是什么？
• RQ5 这种行为与常规BCS超导体或其他关联体系有何不同？

主要发现

• 在接近最佳掺杂的高温铜氧化物中，光学电导率的相位角在所有频率下保持恒定，表明存在普遍的量子临界行为。
• 恒定相位角在数值上等于光学电导率的幂律指数 α，即 σ(ω) ∝ ω^−α。
• 相位角与指数之间的一致性为铜氧化物中存在量子临界态提供了强有力证据。
• 该行为与量子相变一致，但属于非传统的类型，无法用标准BCS或吉涅斯堡-朗道理论描述。
• 结果在多个铜氧化物家族和实验数据集中均保持稳健，支持一种普遍机制。
• 研究结果表明，量子临界性在接近最佳掺杂的高温超导体电子性质中起着核心作用。