[论文解读] Pseudogaps and magnetic properties of the two-dimensional t-J model

A. Sherman, Michael Schreiber|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 1998

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 3

一句话总结

本研究采用带有零次序磁化约束的改进自旋波理论，研究了二维t-J模型在正常态下的电子与磁性性质。在空穴浓度 0.02 < x < 0.17 且 T < 150 K 条件下，发现空穴能谱在 (π,0) 附近出现赝能隙，伴随准粒子权重异常及Luttinger定理的违背；同时，计算得到的自旋关联长度、弛豫时间与磁化率与欠掺杂铜氧化物实验结果高度一致，支持该体系处于具有磁激发赝能隙的量子无序相。

ABSTRACT

We apply the modified spin-wave theory with the constraint of zero staggered magnetization to investigate normal-state spectral and magnetic properties of the 2D t-J model in the paramagnetic state. A set of self-energy equations for hole and magnon Green's functions is solved numerically in the self-consistent Born approximation. The constraint can be fulfilled in the ranges of hole concentrations 0.02 &lt; x &lt; 0.17 and temperatures T &lt; 150 K. In this region the hole spectrum differs from a conventional metallic spectrum which is manifested in the variation with x of the quasiparticle weights of states and in the violation of Luttinger's theorem. With decreasing x from x = 0.17 hidden parts appear in the hole Fermi surface which can be interpreted as the opening of a pseudogap near (pi,0). Obtained size, symmetry and concentration dependence of the pseudogap are in agreement with photoemission data in Bi2212. Calculated temperature dependencies of the spin correlation length, spin-lattice relaxation times at the Cu and O sites, and static susceptibility are typical for the quantum disordered regime with a pseudogap in the spectrum of magnetic excitations. These quantities are in qualitative and in some cases in quantitative agreement with experiment in underdoped YBa2Cu3O(6+y). At x &gt; 0.12 the considered phase borders the phase of conventional metal.

研究动机与目标

• 利用t-J模型理解高温超导体正常态中赝能隙的起源。
• 研究空穴掺杂下顺磁相中磁关联与电子结构的演化过程。
• 确定赝能隙是否源于自旋液体类态中的量子涨落与自旋-电荷分离。
• 将理论预测的自旋与谱学性质与Bi2212和YBa2Cu3O6+y的实验数据进行比较。
• 验证带有零次序磁化约束的改进自旋波理论作为描述欠掺杂区域的理论框架的有效性。

提出的方法

• 采用带有零次序磁化约束的改进自旋波理论，以模拟二维t-J模型的顺磁态。
• 在自洽Born近似下求解空穴与自旋波格林函数的自洽自能方程组。
• 利用数值方法计算不同空穴浓度与温度下的准粒子权重、谱函数与自旋关联函数。
• 计算Cu与O位点的自旋-晶格弛豫时间及静态自旋磁化率，以与实验测量结果对比。
• 在 0.02 < x < 0.17 且 T < 150 K 范围内应用该约束，该范围内零次序磁化条件在物理上可实现。
• 描绘费米面的演化过程，并通过识别隐藏费米面口袋作为赝能隙形成的标志。

实验结果

研究问题

• RQ1 在欠掺杂条件下，带有零次序磁化约束的t-J模型是否在 (π,0) 附近空穴谱函数中产生赝能隙？
• RQ2 在此约束下，空穴谱中的准粒子权重与Luttinger定理违背如何表现？
• RQ3 计算得到的自旋关联长度、自旋-晶格弛豫时间与静态磁化率在欠掺杂YBa2Cu3O6+y中与实验数据的符合程度如何？
• RQ4 量子涨落在磁激发谱中产生赝能隙的作用是什么？
• RQ5 在顺磁相中，赝能隙如何随空穴浓度与温度演化？

主要发现

• 在空穴浓度 0.02 < x < 0.17 范围内，空穴能谱在 (π,0) 附近打开赝能隙，且随着x减小，费米面中出现隐藏部分。
• 空穴态的准粒子权重随掺杂浓度显著变化，表明其具有非费米液体行为并违背Luttinger定理。
• 计算得到的自旋关联长度、Cu与O位点的自旋-晶格弛豫时间及静态自旋磁化率，与欠掺杂YBa2Cu3O6+y的实验数据在定性与定量上均高度一致。
• 赝能隙的大小、对称性与浓度依赖性与Bi2212中的角分辨光电子能谱数据一致。
• 该体系表现出量子无序相，其磁激发谱中存在赝能隙，且在 T < 150 K 与 x < 0.17 范围内稳定存在。
• 在指定掺杂与温度窗口内，零次序磁化约束在物理上可实现，从而可实现谱学与磁性性质的自洽计算。