[论文解读] Transport in the emergent Bose liquid: Bad metal, strange metal, and weak insulator, all in one system

Tao Zeng, Anthony Hegg+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2021

Advanced Thermoelectric Materials and Devices被引用 4

一句话总结

本文提出，通过温度依赖的光学电导率，涌现的玻色液体（EBL）模型能够解释强关联材料中不良金属、奇异金属和弱绝缘体行为的共存。该模型通过描述棋盘格子上的集体玻色激发，再现了关键实验特征——如无特征的连续谱、稳定的中红外峰以及T线性电阻率，从而在单一量子物相中统一了此前看似不相容的输运行为。

ABSTRACT

Non-saturating high-temperature resistivity ("bad metal"), T-linear low-temperature resistivity ("strange metal"), and a crossover to activation-free growth of the resistivity in the low-temperature limit ("weak insulator") are among the most exotic behaviors widely observed in many strongly correlated materials for decades that defy the standard Fermi liquid description of solids. Here we investigate these puzzling behaviors by computing temperature-dependent optical conductivity of an emergent Bose liquid and find that it reproduces all the unexplained features of the experiments, including a featureless continuum and a well-known mid-infrared peak. Amazingly and with physically intuitive mechanisms, the corresponding doping- and temperature-dependent resistivity displays the bad metal and strange metal simultaneously and sometimes weak insulating behaviors as well. The unification of all these non-Fermi liquid behaviors in a single model suggests that a new quantum state of matter, namely the emergent Bose liquid, will guide the development of the next generation of solid state physics.

研究动机与目标

• 解释强关联材料中长期存在的非费米液体输运行为——不良金属、奇异金属和弱绝缘体——的谜题。
• 识别一种能够同时再现多种奇异输运特征的统一量子物相。
• 证明这些行为源于一种涌现晶格结构中的集体玻色激发，而非费米子准粒子。
• 为观测到的光学电导率特征（包括温度无关的中红外峰和宽连续谱）提供物理解释。

提出的方法

• 该研究在由束缚空穴对形成的棋盘格子上构建了涌现的玻色液体（EBL）模型，其中玻色子通过在最近邻和次近邻之间的枢轴运动进行跃迁。
• 计算了EBL的能带结构和态密度，揭示了布里渊区边界处存在两个范霍夫奇点，这些奇点定义了中红外峰的能量尺度。
• 采用非微扰方法在EBL框架内计算了光学电导率，捕捉到了类似德鲁德的响应以及谱权重的转移。
• 通过德鲁德公式从光学电导率推导出模型的温度依赖电阻率，实现了与实验的直接比较。
• 通过追踪低于某一频率截止值的积分谱权重比例，分析了谱权重转移和展宽，结果与实验趋势高度一致。
• 通过将计算得到的光学电导率和电阻率与LSCO、Bi-2212、LaFePO和2H-TaSe2的实验数据对比，验证了模型的有效性，显示出在温度和掺杂浓度变化范围内的半定量一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一量子物相能否解释强关联材料中不良金属、奇异金属和弱绝缘体行为的共存？
• RQ2 在多种材料中持续存在的中红外峰和宽连续谱的物理机制是什么？
• RQ3 为何光学电导率在低频峰宽上表现出最小的温度依赖性，即使温度变化显著？
• RQ4 如何在不依赖费米子准粒子的前提下，解释T线性电阻率和Mott-Ioffe-Regel极限的违反？
• RQ5 涌现的玻色液体模型在多大程度上能定量再现不同掺杂和温度区域下的实验电阻率与谱权重演化？

主要发现

• 通过描述集体玻色激发而非费米子准粒子的输运，该模型再现了高温下不饱和的电阻率，从而违反了Mott-Ioffe-Regel极限。
• 该模型在宽广的温度范围内产生T线性电阻率，与铜氧化物、扭转双层石墨烯及其他关联体系中观测到的奇异金属行为一致。
• 在低温下，电阻率转变为类似对数增长的弱绝缘行为，与LSCO和Bi-2212中的实验观测相符。
• EBL模型计算得到的光学电导率呈现出无特征的连续谱和清晰的中红外峰，与PdTe2和Bi-2212的实验数据高度吻合。
• 谱权重转移的温度依赖性（通过低于截止频率的积分权重比例量化）与LSCO和Bi-2212中的实验趋势非常接近。
• EBL模型中的德鲁德权重对LSCO的面内电阻率提供了极佳的拟合，包括低温下著名的ln(1/T)行为，仅需对声子贡献进行与掺杂无关的平移修正。