[论文解读] The pseudogap in hole-doped cuprates: possible insights from the Kondo effect

J. R. Cooper|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 56被引用 4

一句话总结

本文提出，空穴掺杂铜氧化物中的赝能隙源于反铁磁自旋涨落抑制的类似Kondo的重费米子行为，其Kondo温度TK ≈ 800 K。该模型通过非对称安德森模型解释了V形态密度、威尔逊比和熵异常，将赝能隙与一个在p ≈ 0.17–0.19处消失的T无关能量尺度EG联系起来。

ABSTRACT

The "states-non-conserving" fermion density of states (DOS), deduced from the specific heat of hole-doped cuprates, could arise from a Kondo or heavy fermion-like DOS being suppressed by anti-ferromagnetic spin fluctuations. The large Fermi surface predicted by band theory and observed experimentally, is still expected for zero pseudogap, but with an effective mass corresponding to a Kondo temperature ~ 800 K. A finite pseudogap could divide it into Fermi arcs. Theoretical results for the asymmetric Anderson model can account for the experimental Wilson ratio.

研究动机与目标

• 解释空穴掺杂铜氧化物中赝能隙的起源，这是高温超导中长期存在的开放问题。
• 将比热、自旋磁化率和热电功率中的实验异常与Kondo样机制相协调。
• 通过反铁磁自旋涨落抑制Kondo样态密度，解释T无关能量尺度EG及其p依赖性。
• 将观测到的威尔逊比和熵抑制与非对称安德森模型及Kondo屏蔽联系起来。
• 通过引入电子-空穴不对称性和剩余费米弧态，解决平面能带模型中的不一致性。

提出的方法

• 分析YBCO、Bi2212和LSCO的比热数据，提取位于费米能级EF处的‘态不守恒’V形费米子态密度（DOS）。
• 应用Kondo模型和威尔逊解法，从γ和χs数据推导Kondo温度TK，得出Bi2212的TK ≈ 800 K。
• 使用非对称安德森模型描述具有电子-空穴不对称性的Kondo效应，与热电功率和NMR数据一致。
• 比较不同掺杂水平下的熵Se(T,p)和Tχs(T)曲线，显示平行行为，与Kondo样态密度一致。
• 评估威尔逊比χs/γ以检验重费米子行为，发现其值为1.29–1.34R0，表明有效质量增强。
• 将赝能隙建模为反铁磁自旋涨落对Kondo态密度的抑制，导致费米弧和T无关的EG。

实验结果

研究问题

• RQ1 空穴掺杂铜氧化物中的赝能隙能否通过反铁磁自旋涨落抑制的Kondo样重费米子机制来解释？
• RQ2 在欠掺杂铜氧化物中观测到的威尔逊比χs/γ ≈ 1.3R0的起源是什么？它与Kondo效应有何关联？
• RQ3 为何熵和自旋磁化率曲线在掺杂范围内表现出抑制且平行的行为？这与Kondo模型有何关系？
• RQ4 赝能隙能量尺度EG如何随空穴掺杂浓度p变化？为何其在pcrit ≈ 0.17–0.19处消失？
• RQ5 非对称安德森模型在多大程度上能解释观测到的电子-空穴不对称性和剩余费米弧态？

主要发现

• 从Bi2212的γ和χs数据估算出Kondo温度TK ≈ 800 K，与重费米子态一致。
• 在Bi2212和YBCO中测得的威尔逊比χs/γ = 1.29–1.34R0，表明有效质量增强，与Kondo理论一致。
• 对于p < pcrit的熵Se(T,p)曲线在300 K以内表现出抑制且平行的行为，与Kondo样态密度一致，且无熵恢复现象。
• Bi2212和YBCO的Tχs(T)曲线在400 K以内保持平行，支持存在共同能量尺度和Kondo样行为。
• 赝能隙能量尺度EG随空穴掺杂浓度线性减小，表达式为Jaf(1−p/pcrit)，在pcrit ≈ 0.17–0.19处消失，其中Jaf/kB ≈ 1200–1500 K。
• 从量子振荡和费米弧推断的费米能级处剩余态密度与Kondo样态一致，表现为在EF处被抑制但有限的态密度。