What is the simplest model that captures the basic experimental facts of the physics of underdoped cuprates?

Henri Alloul

doi:10.1016/j.crhy.2014.02.007

What is the simplest model that captures the basic experimental facts of the physics of underdoped cuprates?
[Quel est le plus simple modèle rendant compte des observations expérimentales génériques de la physique des cuprates sous-dopés ?]

Henri Alloul ¹

¹ Laboratoire de physique des solides, UMR CNRS 8502, Université Paris-Sud 11, 91405 Orsay, France

Comptes Rendus. Physique, Volume 15 (2014) no. 6, pp. 519-524.

Résumé
Abstract

Deux phénomènes marquants ont été mis en évidence lors de la découverte des cuprates : leur supraconductivité (SC) à haute température critique et l'existence d'un pseudo-gap (PG) dans la zone sous-dopée en trous du diagramme de phase, associé à un cortège de propriétés physiques fascinantes. Un large débat sur l'origine physique du pseudo-gap a été ouvert il y a plus de dix ans : signature de paires préformées ou ordre distinct en compétition avec la supraconductivité ? Ce débat était sur le point d'être conclu en faveur d'un ordre en compétition. En effet une série d'expériences récentes réalisées avec diverses techniques expérimentales rapportent l'existence d'ordre de charge ou de brisures de symétrie dans des cuprates sous-dopés. Des spéculations élaborées à partir de calculs théoriques suggèrent que ces observations révèlent une origine totalement différente pour la SC dans les cuprates de celle stipulée initialement. Ces nouvelles spéculations justifient de rappeler quelques résultats expérimentaux qui ont été établis dès les premiers jours de la SC à Haute Température, qui ont souvent été « oubliés » ou « méconnus » par les nouveaux arrivants dans le domaine, qui tendent à considérer que la température $T^{⁎}$ de l'ouverture du pseudo-gap est mal définie expérimentalement. Je rappelle ici qu'il n'y a pas le moindre doute, et ce depuis les premiers jours que, dans des échantillons comparables, l'ouverture du pseudo-gap se produit à des températures bien supérieures à celles des ordres de charges détectés récemment, qui sont apparemment en compétition avec la SC (en effet ces nouveaux états sont détectés à des températures pour lesquelles la susceptibilité de spin a déjà été réduite de moitié). Je rappelle aussi que les solutions initiales en champ moyen ont suggéré que SC et PG pouvaient être générés dans le modèle simple de Hubbard, ou sa version simplifiée dans l'approximation $t – J$ . Des calculs récents étendant ces calculs en Théorie du Champ Moyen Dynamique (DMFT) dans des versions plus ou moins sophistiquées permettent de calculer des propriétés physiques qui commencent à ressembler agréablement à de nombreuses observations expérimentales faites au dessous de $T^{⁎}$ . Des comparaisons détaillées ne sont pas encore de mise car elles dépendent fortement des approximations faites dans les calculs DMFT. Le modèle de Hubbard de base ne génère apparemment pas les ordres de charge, probablement à cause de perturbations, présentes dans les matériaux réels, qui stimulent les états de symétrie brisées. Bien que nous ayons souligné par le passé que le désordre associé aux dopants chimiques est une perturbation dominante, les expériences récentes sur les composés YBCO où les chaines d'oxygène sont ordonnées suggèrent que cet ordre des dopants peut effectivement influencer voire stabiliser les ordres de charge commensurables. Par conséquent les divers états ordonnés détectés récemment à des températures inférieures à $T^{⁎}$ requièrent des modélisations plus compliquées mais qui ne sont pas nécessairement génériques. Ils correspondent certainement à des états fondamentaux spécifiques de la matière électronique qui révèlent au dessous de $T^{⁎}$ des ordres intéressants d'électrons corrélés.

The discovery of cuprates has been underlined by two salient phenomena, their high-temperature superconductivity (SC) and the occurrence of the “pseudogap” (PG) in the underdoped part of the hole-doped phase diagram, with a large set of associated fascinating physical properties. A large debate has been opened more than ten years ago about the actual significance of the pseudogap: signature of preformed pairs or independent order in competition with SC. This debate was apparently on the verge to be cleared in favour of the competing order scenario. Indeed a series of recent experiments done with distinct experimental techniques report charge ordered (CDW) or symmetry broken states in the underdoped cuprates. Some speculations based on theoretical calculations suggest that those observations reveal a totally different origin than expected initially for the superconductivity in the cuprates. These new speculations justify recalling some of the experimental results that have been established on the early days of High Temperature SC and which have been quite often “forgotten”, or “overlooked” by newcomers in the field who tend to consider that the pseudogap onset temperature $T^{⁎}$ is an ill-defined temperature. I shall recall here that there is no doubt whatsoever from the early days that the onset of the pseudogap state is much higher in temperature than all the recently detected charge-order phenomena in comparable samples, which apparently compete with SC. (Indeed, the onsets of these new states are detected at temperatures at which a 50% decrease of the spin susceptibility has already occurred.) I shall also recall that some of the early mean field theories have initiated the idea that both SC and the PG could be generated within a simple doped Hubbard model, or its simplified $t – J$ model version. Recent calculations extending those to Dynamical Mean Field Theories (DMFT), with more or less sophisticated versions give theoretical determinations of physical quantities which begin to resemble quite nicely most of the experimental observations done below $T^{⁎}$ . Direct comparisons are still not secured as they do rely on the approximations done in the DMFT calculations. The basic Hubbard model does not generate the CDW phases, presumably due to symmetry-breaking perturbations present in the actual materials. Though we had underlined in the past that the disorder of the chemical dopants is one of the dominant perturbations, the recent experiments on chain-ordered YBCO suggest that the ordering of the dopants can indeed be influential as well in stabilizing commensurate CDW states. Therefore, the variety of broken symmetry states detected recently at lower temperatures than the pseudogap $T^{⁎}$ certainly requires more complicated modelling and are not necessarily generic. They most certainly correspond to specific ground states of the pseudogap electronic matter which exhibit interesting correlated orders.

Publié le : 2014-04-08

DOI : 10.1016/j.crhy.2014.02.007

Keywords: Correlated electrons, Superconductivity, Pseudo-gap, Cuprates, Hubbard model
Mots-clés : Electrons corrélés, Supraconductivité, Pseudo-gap, Cuprates, Modèle de Hubbard

Affiliations des auteurs :

Henri Alloul ¹

¹ Laboratoire de physique des solides, UMR CNRS 8502, Université Paris-Sud 11, 91405 Orsay, France

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Henri Alloul. What is the simplest model that captures the basic experimental facts of the physics of underdoped cuprates?. Comptes Rendus. Physique, Volume 15 (2014) no. 6, pp. 519-524. doi : 10.1016/j.crhy.2014.02.007. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2014.02.007/

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