Theoretical study of electronic properties of high-Tc superconductors and other materials with strongly correlated electrons

Dominique Geffroy, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

V první části této práce (kapitoly 1 až 7) jsou stručně představeny oblasti našeho výzkumu a některé nástroje používané při studiu elektronové struktury systémů se silně korelovanými elektrony. V kapitolách 8 a 9 pak pojednáváme o našich hlavních výsled- cích z oblasti elektronové struktury kuprátových supravodičů s vysokou hodnotou teploty supravodivého přechodu T c , a z oblasti excitonové kondenzace v rámci Hubbardova modelu. Dispersní relace fermionových excitací ve vysokoteplotních supravodičích byla stu- dována s využitím selfkonsistentní varianty fenomenologického modelu, kde nabité kvaz- ičástice interagují se spinovými fluktuacemi. Vstupy pro výpočty - pásová struktura a spinová susceptibilita χ - byly získány fitováním fotoemisních a neutronových dat v před- chozí práci Thomase Dahma a spolupracovníků [T. Dahm et al., Nature Physics. 5, 217 (2009)]. Naše hlavní výsledky jsou tyto: (i) Potvrdili jsme zjištění T. Dahma a spolupra- covníků, že hlavní zlom (“kink”) v dispersní relaci podél hlavní diagonály Brillouinovy zóny je - pro dané hodnoty vstupních parametrů - určen tzv. horní větví přesypacích hodin ve spektru spinové susceptibility χ. (ii) Vliv na fermionovou dispersní relaci tzv. rezonančního módu ve spektru χ silně závisí na jeho čtvrtém standardizovaném momentu (anglicky “kurtosis”) v prostoru kvazihybností. Nízká (vysoká) hodnota momentu má za následek zanedbatelný (významný) vliv módu na dispersní relaci podél hlavní diagonály Brillouinovy zóny. (iii) Energie zlomu klesá s rostoucím úhlem mezi řezem Fermiho plochy a hlavní diagonálou Brillouinovy zóny, v kvalitativním souladu s nedávno získanými ex- perimentálními poznatky. Tento trend je objasněn, zároveň předpovězeny určité vlastnosti úhlové závislosti zlomu. Objevili jsme mechanismus, který vede ke vzniku spinové textury v k prostoru v rámci nedegenerovaného dvojpásového Hubbardova modelu, daný spontánním narušením syme- trie způsobeným elektronovými korelacemi. S využitím dynamické teorie středního pole ukazujeme, že dopování tripletního excitonového izolantu může vést ke vzniku nových ter- modynamických fází s jedinečnými vlastnostmi. Numerické výsledky jsou interpretovány s využitím nástrojů analogických těm, které jsou používány v kontextu teorie tzv. dvojné výměny. Spinové textury v k prostoru jsou zajímavé z toho důvodu, že mají řadu aplikací v oblasti spintroniky. Náš výsledek je významný tím, že ukazuje, jak mohou spinové textury vzniknout bez přispění spin-orbitální interakce.

Abstract:

In the first part of the thesis (chapters 1 to 7), we briefly introduce the topics of our research and we summarize some important tools used in studies of strongly correlated electron systems. Next (in chapters 8 and 9) we report on our main results concerning the electronic structure of the high-T c cuprate superconductors, and the excitonic condensation in the Hubbard model, respectively. The electronic dispersion of the high-T c cuprate superconductors has been investigated using the fully self-consistent version of the phenomenological model, where charge quasi- particles are coupled to spin fluctuations. The inputs we use —the underlying (bare) band structure and the spin susceptibility χ— are extracted from fits of angle resolved pho- toemission and inelastic neutron scattering data of underdoped YBa 2 Cu 3 O 6.6 reported by T. Dahm and coworkers [T. Dahm et al., Nat. Phys. 5, 217 (2009)]. Our main results are: (i) We have confirmed the finding by T. Dahm and coworkers that the main nodal kink is, for the present values of the input parameters, determined by the upper branch of the hour-glass of χ. We demonstrate that the properties of the kink depend qualitatively on the strength of the charge-spin coupling. (ii) The effect of the resonance mode of χ on the electronic dispersion strongly depends on its kurtosis in the quasimomentum space. A low (high) kurtosis implies a negligible (considerable) effect of the mode on the dispersion in the near-nodal region. (iii) The energy of the kink decreases as a function of the angle θ between the Fermi surface cut and the nodal direction, in qualitative agreement with recent experimental observations. We clarify the trend and make a specific prediction concerning the angular dependence of the kink energy in underdoped YBa 2 Cu 3 O 6.6 . We have discovered a mechanism that leads to the appearance of a k-space spin texture in the non-degenerate two-band Hubbard model, due to a spontaneous symmetry breaking driven by electronic correlations. Using dynamical mean-field theory, we show that doping a spin-triplet excitonic insulator provides a means of creating new thermodynamic phases with unique properties. The numerical results are interpreted using analytic calculations within a generalized double-exchange framework. Spin textures in k-space are of particular interest because they find numerous applications in spintronics. Our result represents a significant step forward, insofar as it shows that such patterns can be generated even in the absence of spin-orbit coupling.

Keywords

vysokoteplotní supravodiče, kupráty, Hubbardův model, ex- citonová kondenzace, dynamická teorie středního pole, High-temperature superconductors, Cuprates, Hubbard model, Excitonic condensation, Dynamical Mean Field Theory

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 19. 4. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 20. 6. 2017
• Supervisor: prof. Mgr. Dominik Munzar, Dr.
• Reader: doc. RNDr. Richard Hlubina, DrSc., Assoc. Prof. Dr. Alessandro Toschi

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Condensed Matter Physics