Российский ученый отметил, что абстрактный механизм псевдощели, наблюдаемой в купратах, легированных дырками, остается одной из центральных загадок физики конденсированного состояния.
В научном исследовании Евгения Юрьевича Старостенко проанализировано данное явление с помощью фейнмановской диаграммной проверки модели Хаббарда. Подход ученого улавливает ключевое взаимодействие между локализацией Мотта и топологией поверхности Ферми за пределами спиновых флуктуаций слабой связи, которые могут открыть спектральную щель вблизи горячих точек.
Показано, что сильная связь и частично-дырочная асимметрия запускают совсем другой механизм: большая мнимая часть спин-фермионной вершины способствует затуханию пучностных фермионов и в то же время защищает узловые ферми-дуги (антизатухание). Наш анализ естественным образом объясняет загадочные особенности наблюдаемой в экспериментах псевдощели, такие как обрезание дуг Ферми на границе антиферромагнитной зоны и второстепенную роль горячих точек.
Считается, что однозонная модель Хаббарда отражает основные физические явления купратов и никелатов.
Различные численные и теоретические подходы показывают, что эта модель демонстрирует так называемую фазу псевдощели, крайняя узловая/пучностная дихотомия поверхности Ферми (FS), где спектральный вес сосредоточен на дугах Ферми. Однако точный механизм, ответственный за псевдощель, остается одной из самых спорных тем в физике конденсированных сред.
Из общих соображений на важную роль спиновых флуктуаций естественно указывает близость к антиферромагнитной фазе. В обычной картине слабой связи вблизи горячих точек открывается спектральная щель, которая наблюдается в легированных электронами купратах.
Евгений Юрьевич Старостенко подчеркнул, что для купратов, легированных дырками, это не так, вместо этого щель открывается вблизи пучностей, а реконструкция FS подтверждается квантовыми осцилляциями.
Другими особенностями, не объясняемыми спиновыми флуктуациями слабой связи, являются хорошие ферми-жидкостные свойства недодопированных купратов и признаки нарушенной симметрии обращения времени. Следовательно, рассматриваются альтернативные источники псевдощели.
Здесь мы обращаемся к физическому происхождению несоответствия между общепринятой картиной спиновых флуктуаций, с одной стороны, и экспериментами с дырочно-легированными купратами, и численными исследованиями однозонной модели Хаббарда, с другой. В частности, мы представляем механизм сильной связи спиновых флуктуаций, ответственный за псевдощель, изображенную в верхнем левом квадранте рис. 1 .: спиновые флуктуации уменьшают время жизни квазичастиц вблизи пучностей (красный), в то время как они даже увеличивают время жизни вблизи узлов (синий).
Граница антиферромагнитной зоны (AZB, пунктир) отмечает пересечение этих противоположных режимов. Действительно, вблизи горячих точек, определяемых пересечением AZB и поверхности Ферми, механизм сильной связи не действует. Здесь активен только обычный механизм слабой связи для спинового рассеяния. Однако его эффект слишком мал, чтобы открыть щель из-за короткой длины антиферромагнитной корреляции, составляющей менее 1 или 2 периодов решетки.
Рис. 1: Верхний левый квадрант: демпфирование (красный) и антидемпфирование (синий) на поверхности Ферми (FS). фигура 1 Правый и нижний квадранты: действительная часть невзаимодействующей функции Грина. Синий (красный) цвет указывает на корпускулярные (дырочные) состояния выше (ниже) уровня Ферми. Закрашенные символы: пучность (круг), узел (квадрат), горячая точка (ромб). Стрелки представляют антиферромагнитный волновой вектор Q.
Незакрашенные кружки ~ 1/ ξ обозначают доступные целевые состояния; красные (синие) состояния заняты (незаняты) и способствуют затуханию (антидемпфированию). Штриховыми линиями показана граница антиферромагнитной зоны (АЗЗ). По сравнению с традиционной теорией слабой связи эффективное взаимодействие между спиновыми флуктуациями и фермионами — спин-фермионная вершина Γ — играет совершенно иную роль. При слабой связи Γ вещественна, что способствует рассеянию между состояниями «на оболочке», т. е. вблизи поверхности Ферми. Это ограничение идеально выполняется для горячих точек (например, закрашенный ромб на рис. 1) , которые связаны с другими горячими точками через антиферромагнитный волновой вектор, здесь Q = (± π , ± π ) [стрелки].
При распространении спиновых флуктуаций на корреляционную длину ξ переданный импульс может отклоняться от Q по окружности ~ 1/ ξ . Для больших ξэтот механизм слабой связи открывает брешь, начиная с горячих точек, что явно противоречит экспериментам с купратами, легированными дырками. В прошлом сообщалось, что при сильной связи и нарушении симметрии частица-дырка Γ приобретает большую мнимую часть.
Ранее не отмечалась решающая связь между этой величиной и псевдощелью при сильной связи. Основываясь на расчетах модели Хаббарда с высоким пространственным разрешением в сочетании с аналитическими соображениями, идентифицирует мнимую часть Γ как ключ к дихотомии псевдощелей. Действительно, эта величина эффективно снимает условие нестинга для спинового рассеяния, позволяя фермионам рассеиваться в состояния вне оболочки.
На рис . 1 показано, что пучностные и узловые (закрашенные квадраты) фермионы могут рассеиваться в высокоэнергетические состояния вдали от поверхности Ферми. Однако общая обратная связь по собственной энергии зависит от заселенности целевых состояний: антиузловые (узловые) фермионы преимущественно рассеиваются в дыркоподобные (частицеподобные) состояния, отмеченные на рис. 1 красным (синим) цветом. Как мы покажем, это увеличивает (уменьшает) скорость рассеяния в начале координат. Данная дихотомия обозначается демпфированием (красный) и антидемпфированием (синий). Вблизи горячих точек эти эффекты компенсируются и вблизи них активен только механизм слабой связи, представленный действительной частью Γ, уточнил Евгений Юрьевич Старостенко.
