[论文解读] Universal features of Thermopower in High Tc systems and Quantum Criticality

Arti Garg, B. Sriram Shastry+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2011

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 23被引用 4

一句话总结

本文提出，在高温超导铜氧化物中，最佳掺杂下热电功率普遍消失，表明存在一个量子临界点（QCP），并通过基尔公式将热电功率与热力学涨落联系起来。利用一维模型的精确解，表明在QCP处热电功率符号发生改变，支持OCTHH普适性，并通过熵和密度导数将热电功率与量子临界性联系起来。

ABSTRACT

In high Tc superconductors a wide ranging connection between the doping dependence of the transition temperature Tc and the room temperature thermopower Q has been observed. A "universal correlation" between these two quantities exists with the thermopower vanishing at optimum doping as noted by OCTHH (Obertelli, Cooper, Tallon, Honma and Hor). In this work we provide an interpretation of this OCTHH universality in terms of a possible underlying quantum critical point (QCP) at Tc. Central to our viewpoint is the recently noted Kelvin formula relating the thermopower to the density derivative of the entropy. Perspective on this formula is gained through a model calculation of the various Kubo formulas in an exactly solved 1-dimensional model with various limiting procedures of wave vector and frequency.

研究动机与目标

• 解释OCTHH观测到的高温铜氧化物中热电功率消失与最佳掺杂之间的普遍关联。
• 研究这种普适性是否源于最佳掺杂处潜在的量子临界点（QCP）。
• 检验基尔公式作为强关联体系中热电功率热力学代理的适用性。
• 通过精确模型计算，将热电功率符号改变与量子临界性联系起来。
• 利用Kubo形式主义评估热力学与输运贡献在决定热电功率中的作用。

提出的方法

• 使用基尔公式 Q_K = (1/q_e)(∂S/∂x)_T,V，将热电功率与熵的密度导数关联，强调热力学主导作用。
• 在一维类似Hubbard模型中进行精确计算，通过Kubo公式计算热电功率，模型包含对角和非对角相互作用。
• 评估Kubo表达式的慢极限（ω→0, q→0）与快极限（q→0, ω→0），以分离物理输运响应。
• 分析由响应函数不同极限导出的四种不同热电功率表达式，重点关注纵向电磁响应。
• 比较基尔公式与Kubo公式的计算结果，以检验一致性并识别物理热电功率。
• 利用该模型研究在量子临界点附近热电功率的符号变化，将其与熵极大值和Mott态崩溃联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 高温铜氧化物中，最佳掺杂处热电功率消失是否标志量子临界点（QCP）？
• RQ2 基尔公式能否准确捕捉强关联体系中热电功率的行为，特别是在QCP附近？
• RQ3 在具有QCP的模型中，热电功率的热力学与输运贡献如何相互作用？
• RQ4 精确模型计算是否能再现实验中观测到的QCP处热电功率符号改变？
• RQ5 高温铜氧化物中热电功率的普遍行为是否可由与量子临界性相关的共同热力学起源来解释？

主要发现

• 基尔公式 Q_K = (1/q_e)(∂S/∂x)_T,V 为热电功率提供了可靠的热力学近似，其符号与大小在低温下与实验数据一致。
• 该模型在量子临界点（QCP）处清晰显示出热电功率的符号改变，与实验中OCTHH普适性一致，即热电功率在最佳掺杂处消失。
• 在四个由Kubo公式导出的热电功率表达式中，仅来自纵向电磁响应（Q1和Q2的慢极限与快极限）的表达式具有物理意义，因其对应于实验测量条件。
• 在横向场极限（Q3和Q4）下，热电功率在整个掺杂范围内保持正值，表明仅纵向响应能捕捉QCP处的符号改变。
• 该模型支持QCP处熵达到最大值的观点，与先前的簇计算一致，强化了热电功率符号改变与量子临界性之间的联系。
• 尽管不完美，基尔公式与实验热电功率及比热数据的一致性，证实其在探测高温体系中量子临界行为方面的有效性。