C-axis optical response of t-J ladders

Mgr. Paulína Barabasová, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

Motivováni podobnostmi mezi planárními kupráty a kuprátovými žebříky a ve snaze o získání hlubšího pochopení elektronových a optických vlastností obou těchto skupin materiálů, jsme studovali optickou vodivost dopovaných t−J (přesněji t||−t⊥−J||−J⊥) žebříků ve směru podél žebříku, σc(ω), a podél příček, σr(ω). S použitím exaktní diagonalizace jsme vypočetli vodivosti v obou směrech a související veličiny, zejména spinovou susceptibilitu χ(q,ω) a kvazičásticové spektrální funkce A(k,ω) pro žebříky o různých délkách (počet příček Nr až 13) a s různými koncentracemi děr (počet děr 0až 4). Ve shodě s dřívější studií Haywarda a spolupracovníků (Hayward et al. 1996, Phys. Rev. B 53 8863) pozorujeme, že σc(ω) se skládá z Drudeho příspěvku na nulové frekvenci odděleného od absorpčního pásu v infračervené oblasti mezerou o šířce EPG. Naše hlavní výsledky jsou: (i) Pro případ jedné dopované díry platí EPG≈∆s, kde ∆s je velikost energiové mezery ve spektru spinových excitací. (ii) Pro dvě a pro čtyři dopované díry je EPG následkem párování děr mnohem větší; pro čtyři díry platí EPG≈EQP+∆s, kde EQP je velikost energiové mezery ve spektru kvazičásticových excitací. (iii) Při dopování jednou dírou je v σr na nízkých energiích pás odpovídající mezipásovým přechodům mezi kvazičásticovými stavy s lichou a sudou symetrii (vzhledem ke zrdcadlové rovině procházející středem žebříku) a výrazný absorpční pás v infračervené oblasti na energii o něco menší než 2J. (iv) Pro dvě dopované díry nízkoenergiová komponenta v σr chybí a energie prvního maxima v Re(σr(ω)) se pohybuje v intervalu od J do 3/2J. (v) Většinu zmíněných trendů lze interpretovat s využitím fenomenologického modelu, kde děrové kvazičástice interagují se spinovými excitacemi. (vi) Naše výsledky přispívají k porozumění optické odezvě kuprátů a také k porozumění energiové mezeře (”pseudogapu”) pozorované ve spektrech vodivosti kuprátových žebříků pro záření polarizované rovnoběžně s příčkami (Osafune et al. 1999, Phys. Rev. Lett. 82 1313).

Abstract:

Motivated by similarities between cuprate superconductors and two-leg ladder copper-oxide compounds and in order to gain a deeper understanding of electronic and optical properties of both classes of materials we have studied the c-axis (along-the-ladder) optical conductivity σc(ω) and the along-the-rung optical conductivity σr(ω) of doped t−J (more precisely t||−t⊥−J||−J⊥) two-leg ladders. Using exact diagonalization, we have calculated the two conductivities and related quantities, in particular the spin susceptibility χ(q,ω) and the quasiparticle spectral function A(k,ω) for cyclic ladders of up to 13 rungs and of up to 4 doped holes. In agreement with an early study by Hayward and coworkers (Hayward et al. 1996, Phys. Rev. B 53 8863) we find that σc(ω) consists of a Drude peak at zero frequency and an absorption band in the infrared region, that is separated from the former by a pseudogap of width EPG. Our main findings are: (i) For one doped hole, EPG≈∆s, where ∆s is the magnitude of the gap in the spin excitation spectra. (ii) For two or four doped holes, EPG is much larger, a consequence of pairing of holes; for four holes, we have EPG≈EQP+∆s, where EQP is the magnitude of the gap in the quasiparticle excitation spectra. (iii) For one doped hole, σr displays a low energy component corresponding to the interband transition between quasiparticle states of even and odd symmetry (with respect to the mirror plane of the ladder) and a pronounced absorption band in the infrared, at E somewhat below 2J. (iv) For two doped holes, the low energy component of σr is missing and the energy of the first maximum of Re(σr(ω)) occurs in the energy range from about J to about 3/2J. (v) Most of the above trends are qualitatively understood in terms of the phenomenological model where hole quasiparticles are coupled to spin excitations. (vi) Our results have implications for understanding of the in-plane infrared response of superconducting cuprates and of the pseudogap in the a-axis (along-the-rung) conductivity of two-leg ladder copper-oxide compounds reported by Osafune et al. 1999, Phys. Rev. Lett. 82 1313.

Keywords

kuprátový žebřík, vysokoteplotní supravodiče, t-J Hamiltonián, optická vodivost, pseudogap, spinová susceptibilita, spingap, spektrální funkce, párování děr, copper-oxide ladder, high-temperature superconductors, optical conductivity, spin susceptibility, spectral functions, hole pairing

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 12. 2. 2020

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 10. 6. 2020
• Vedoucí: prof. Mgr. Dominik Munzar, Dr.
• Oponent: doc. RNDr. Tomáš Novotný, Ph.D., doc. RNDr. Richard Hlubina, DrSc.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Pokročilé materiály a nanovědy / Pokročilé nanotechnologie a mikrotechnologie