[论文解读] Universal quasiparticle decoherence in hole- and electron-doped high-Tc cuprates

Zhihui Pan, P. Richard+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2006

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 7

一句话总结

本研究利用角分辨光电子能谱（ARPES）测绘了空穴掺杂与电子掺杂的高温超导铜氧化物中的完整准粒子能带色散，发现相干-非相干交叉能量尺度与裸带宽成正比，而非与反铁磁交换能2J成正比。非相干谱权重形成近乎垂直的‘下坠’，趋近于由LDA计算预测的裸带底，而Γ点处的相干带底被直接观测到，其强度显著抑制，支持了在掺杂莫特绝缘体中用古茨维勒投影波函数描述准粒子的理论。

ABSTRACT

We use angle-resolved photoemission to unravel the quasiparticle decoherence process in the high-$T_c$ cuprates. The coherent band is highly renormalized, and the incoherent part manifests itself as a nearly vertical ``dive'' in the $E$-$k$ intensity plot that approaches the bare band bottom. We find that the coherence-incoherence crossover energies in the hole- and electron-doped cuprates are quite different, but scale to their corresponding bare bandwidth. This rules out antiferromagnetic fluctuations as the main source for decoherence. We also observe the coherent band bottom at the zone center, whose intensity is strongly suppressed by the decoherence process. Consequently, the coherent band dispersion for both hole- and electron-doped cuprates is obtained, and is qualitatively consistent with the framework of Gutzwiller projection.

研究动机与目标

• 利用高分辨率ARPES测定空穴掺杂与电子掺杂的高温超导铜氧化物中的完整低能准粒子能带色散。
• 阐明相干-非相干交叉能量尺度的起源，特别是其是否由反铁磁涨落或本征带宽效应主导。
• 识别并表征此前ARPES研究中未被观测到的Γ点处的相干带底。
• 检验古茨维勒投影波函数方法在描述掺杂莫特绝缘体中重整化准粒子能带时的有效性。

提出的方法

• 在低温（14–40 K）和超高真空条件下，对高质量的Pb-Bi2201单晶（空穴掺杂）和PLCCO单晶（电子掺杂）进行了高分辨率ARPES测量。
• 精心选择光子能量（例如57 eV，s偏振）以增强谱峰特征，提升动量分辨率（~0.02 Å⁻¹）和能量分辨率（~10–30 meV）。
• 通过能量分布曲线（EDCs）、动量分布曲线（MDCs）和二阶导数强度图对谱数据进行分析，以区分相干与非相干谱权重。
• 采用六参数紧束缚模型对相干能带色散进行拟合，同时调整未占据能带顶以保持与占据侧相同的带宽重整化比（~2.5）。
• 利用LDA计算预测裸带色散，用于与观测到的非相干谱特征进行比较。
• 在多个样品中沿高对称方向（Γ–X、X–M、M–Γ）系统性地进行测量，以确保结果的可重复性与一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 空穴掺杂与电子掺杂的铜氧化物中，相干-非相干交叉能量尺度由什么决定？其是否与裸带宽成正比，或与反铁磁交换能2J成正比？
• RQ2 为何此前ARPES研究未能观测到Γ点处的相干带底？其谱权重与色散特性如何？
• RQ3 在高结合能区域，非相干谱权重如何演化？其是否遵循LDA预测的裸带色散？
• RQ4 所观测到的准粒子能带色散在多大程度上与t-J模型的古茨维勒投影波函数方法一致？
• RQ5 在不同铜氧化物家族中，非相干谱权重在固定动量下近乎垂直的色散是否为普遍特征？

主要发现

• 空穴掺杂Pb-Bi2201中相干-非相干交叉能量约为350 meV，电子掺杂PLCCO中约为600 meV，其比例与各自的裸带宽一致，而非与2J（~240–320 meV）成正比。
• 在交叉能量以上，非相干谱权重在固定动量k ≈ (π/4, π/4)处形成近乎垂直的‘下坠’，趋近于LDA计算预测的裸带底。
• 首次直接观测到Γ点处的相干带底，其谱强度因准粒子退相干而显著抑制。
• 空穴掺杂与电子掺杂铜氧化物中，重整化准粒子能带色散在定量上与t-J模型的古茨维勒投影波函数方法高度一致。
• 交叉能量与裸带宽的标度关系排除了反铁磁涨落作为准粒子退相干主导机制的可能性，挑战了长期存在的假设。
• 对相干能带的紧束缚模型拟合揭示了空穴掺杂与电子掺杂体系具有不同的参数，其中PLCCO中较大的化学势偏移（t₀ ≈ 0.4 eV）解释了范霍夫奇点的下移。