[论文解读] Reconciling strange metal transport in CeCoIn$_5$ through the difference of optical and cyclotron effective masses

Wang, Zhenisbek Tagay+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2026

Rare-earth and actinide compounds被引用 0

一句话总结

论文使用高场时域THz光谱发现CeCoIn5 存在两种不同的有效质量——一个随温度强烈变化的光学质量 m*(ω)，以及一个相对温度不变的回旋质量 mc——在隐藏费米液体框架下使线性τ与T^2的霍尔角行为得到调和。

ABSTRACT

The strange metal behavior in cuprate superconductors - characterized by linear in temperature resistivity and anomalous Hall transport - stands in stark contrast to the expectation of conventional Fermi liquid (FL) theory. Remarkably, the similar transport behavior has also been observed in the heavy fermion metal CeCoIn$_5$, whose d-wave superconducting ground state and strong antiferromagnetic fluctuations draw parallels to the cuprates. Here we have investigated the optical conductivity of the strange metal state of CeCoIn$_5$ over a wide magnetic field range using time-domain THz spectroscopy (TDTS). Using unique high-field THz spectroscopy we have shown that the current relaxation rate scales approximately as T$^2$, giving evidence for a hidden Fermi liquid state over a large field range. This result can be reconciled with linear in T resistivity with the realization that heavy quasiparticles have an optical mass that scales roughly like 1/T. This optical mass contrasts with the mass that characterizes cyclotron motion, which does not suffer the same large temperature dependent renormalization. Although by itself anomalous, this allows one to understand a number of other phenomena in CeCoIn$_5$ that have been taken to be signatures of strange metals, including the coexistence of a conventional T$^2$ dependence of the cotangent of the Hall angle with the linear in T resistivity, which with our observation also reflects FL-like physics.

研究动机与目标

• 理解CeCoIn5中奇异金属传输，超越传统费米液体理论的动机。
• 研究不同实验探针如何耦合到电子相互作用和CeCoIn5中的质量重整。
• 确定在磁场下光学质量和回旋质量是否能协同解释传输异常。
• 探讨质量重整如何影响这类重费蒙体系中的霍尔传输与Kohler规律。

提出的方法

• 对CeCoIn5 薄膜进行时域THz光谱（TDTS）偏振测量，磁场高达26 T。
• 在圆基底中用两个Drude分量拟合复介电导率以提取回旋共振。
• 应用扩展Drude模型（EDM）反演σ(ω)并获得随频率变化的质量 m*(ω) 与散射率1/τ(ω)。
• 用 ωc = eB/mc 将回旋共振与 mc 联系起来，并与 m*(ω→0) 进行比较。
• 以直流霍尔电阻率约束拟合，从而稳健确定参数在场和温度中的依赖。
• 以两Drude的最小参数化为基础进行分析，而非归因于两种载流子类型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高磁场下，光学响应与回旋响应是否在CeCoIn5 中给出不同的有效质量？
• RQ2 两种质量的图像是否能解释CeCoIn5 中线性τ随温度、T^2霍尔角行为共存？
• RQ3 在相干Kondo态下，随频率变化的质量与散射率如何随温度与磁场演变？
• RQ4 m*(ω) 与 mc 的差异对重费米系统中奇异金属传输的解读有何意义？

主要发现

• 在低温下，光学（惯性）质量 m*(ω) 由于相干Kondo物理而显著增强，而回旋质量 mc 的温度依赖性较弱。
• 零频 EDM 散射率1/τ*(ω→0) 近似随T^2变化，而1/τ(ω→0) 随T线性变化。
• ωc 在低场（约2 T）与磁场成正比，导致低场时mc接近不随场变化；在高场时，随着ωc趋于饱和，mc 增大。
• 两种质量以不同方式进入传输：线性τ随温度的电阻源自 m*(T)/τ*(T) 且 m*(T) 约为 1/T，而 cot(θH) 遵循 1/(ωcτ*(0))，mc 相对温度独立。
• 随频率的 m*(ω) 与 1/τ(ω) 在11.5 K 时表现出强烈的低频重整，m*(ω)/mb 在高频接近单位，在频率降低时因相关性下降。
• 直流霍尔系数带有温度依赖性 R_H = (1/ne)·(m*/mc)，反映两种质量结构而非单一载流子图景。