[论文解读] The fate of quasiparticles at high-temperature

Andrew Hunter, S.B.M. Beck+18 more|PubMed|Aug 4, 2023

Material Science and Thermodynamics参考文献 49被引用 4

一句话总结

本研究揭示，在关联金属Sr2RuO4中，准粒子可存在于200 K以上的温度下，其谱重Z随温度升高而非降低。通过角分辨光电子能谱（ARPES）与动力学平均场理论（DMFT）相结合，作者发现准粒子并非因失去权重而消失，而是通过超普朗克散射和过度展宽而消失，挑战了传统对不良金属中准粒子衰变机制的认识。

ABSTRACT

We study the temperature evolution of quasiparticles in the correlated metal Sr_{2}RuO_{4}. Our angle resolved photoemission data show that quasiparticles persist up to temperatures above 200 K, far beyond the Fermi liquid regime. Extracting the quasiparticle self-energy, we demonstrate that the quasiparticle residue Z increases with increasing temperature. Quasiparticles eventually disappear on approaching the bad metal state of Sr_{2}RuO_{4} not by losing weight but via excessive broadening from super-Planckian scattering. We further show that the Fermi surface of Sr_{2}RuO_{4}-defined as the loci where the spectral function peaks-deflates with increasing temperature. These findings are in semiquantitative agreement with dynamical mean field theory calculations.

研究动机与目标

• 为解决在高温下关联金属中准粒子的命运，特别是超出莫特-伊夫勒-雷格尔极限的不良金属区域中的行为。
• 挑战在不良金属中准粒子权重Z随温度升高而减小的普遍假设。
• 确定在Sr2RuO4中，准粒子权重损失还是能谱展宽主导了准粒子特征的消失。
• 检验ARPES实验数据与动力学平均场理论（DMFT）对温度依赖性准粒子行为预测的一致性。
• 阐明谱函数线型演化与背景扣除在提取可靠准粒子参数中的作用。

提出的方法

• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）测量了Sr2RuO4在高达约250 K的温度范围内，动量和能量分辨的谱函数。
• 通过在准粒子峰能量ω₀附近对自能进行一阶展开，从能带色散关系中提取准粒子权重Z。
• 采用一种实用的背景扣除方法，利用在π/a动量处无直接跃迁的谱图，以分离本征谱函数。
• 通过使用改进的谱函数表达式建模线型演化：A(k,δω) ≈ Z / π * [Z(Σ′′₀ + αδω)] / [δω² + Z(Σ′′₀ + αδω)²]，实现对温度依赖展宽和峰强度的分析。
• 将实验结果与动力学平均场理论（DMFT）计算结果进行比较，采用全局、温度无关的缩放因子对齐谱图。
• 从DMFT数据中计算出自能导数∂Σ′/∂ω，以验证提取的Z值，并确认其与ARPES测得的准粒子权重的一致性。

Figure 1: (a) Schematic of the Fermi surface of Sr 2 RuO 4 . (b) Low-temperature ARPES data showing the $\beta$ and $\gamma$ band dispersing symmetrically around the Brillouin zone boundary. Yellow and green lines are the bare dispersions of the $\beta$ and $\gamma$ bands obtained from the Hamiltoni

实验结果

研究问题

• RQ1 在Sr2RuO4中，准粒子权重Z是否如传统假设的那样随温度升高而减小？
• RQ2 在高温下准粒子峰消失的主要机制是什么——谱权重损失还是过度展宽？
• RQ3 在Sr2RuO4中，由谱函数峰值定义的费米表面如何随温度演化？
• RQ4 当峰变得宽且强度减弱时，ARPES测得的谱函数在多大程度上仍保持准粒子行为特征？
• RQ5 观察到的Z随温度升高是否与多带关联系统中DMFT对温度依赖性的预测一致？

主要发现

• 在Sr2RuO4中，准粒子权重Z随温度升高而增加，与传统预期（高温下Z → 0）相反。
• 准粒子在谱函数中可存在于200 K以上的温度，远超费米液体区和莫特-伊夫勒-雷格尔极限。
• 随着温度升高，谱峰显著展宽，从不对称费米液体线型演化为洛伦兹型，表明存在超普朗克散射。
• 费米表面（定义为谱函数强度最大处的轨迹）随温度升高而收缩，反映出相干性的减弱。
• 经过背景扣除后，ARPES数据与DMFT计算结果在定性与半定量上高度一致，支持了Z随温度升高这一结论。
• 本研究表明，即使峰强度减弱，准粒子权重仍可随温度升高，挑战了‘展宽总是意味着Z减小’的假设。

Figure 2: (a) MDCs at $E_{F}$ extracted from ARPES data with Lorentzian fits to quantify peak positions of the $\beta$ and $\gamma$ band. Additional examples of fits are shown in Supplemental Material. (b) Temperature dependence of $k(T)-k(T=0)$ at $E=E_{F}$ and $E=-29$ meV. Different colors and sym