Aspectos de modelos eletrônicos bidimensionais fortemente correlacionados: aplicações em cupratos supercondutores

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dc.contributor.advisor1SIlva, Hermann Freire Ferreira Lima e
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7198902316435183eng
dc.contributor.referee1Silva, Hermann Freire Ferreira Lima e
dc.contributor.referee2Oliveira, Luiz Nunes de
dc.contributor.referee3Miranda, Eduardo
dc.contributor.referee4Rabelo, Jose Nicodemos Teixeira
dc.contributor.referee5Braghin, Fabio Luis
dc.creatorCarvalho, Vanuildo Silva de
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/5758206238402103eng
dc.date.accessioned2017-07-10T12:27:09Z
dc.date.issued2016-06-06
dc.description.abstractWe investigate here the low-energy properties of two strongly correlated electronic models in two spatial dimensions. The first one consists in a version of the Hubbard model in which are considered just the degrees of freedom of the system in the neighborhood of the so-called hot spots, which are defined as the intersection of the Fermi surface of the model with the antiferromagnetic zone. Initially, we set our theory up by linearizing the dispersion model in hot spots and consider all the interacting processes between these regions that conserve momentum within a reciprocal-lattice wave vector. In order to access the physics of the model, we then turn to the renormalization group method of quantum field theory and derive the flow equations for the couplings in the two-loop approximation. As a result, we obtain that the Fermi surface is strongly renormalized in hot spots as the renormalized couplings flow to a non-trivial fixed point in the low-energy limit. Then we suggest that this system can be viewed as an example of a non-Fermi liquid in two spatial dimensions, due to the lack of well defined quasiparticle fermionic excitations in the region close to hot spots. Moreover, we solve the Callan-Symanzik equation for the oneparticle Green function up to two-loop order, calculate the density of states in the hot spots, and derive the renormalization group equations for the order parameters of the potential instabilities which may eventually occur in the system at lower energies. We verify that the system can be characterized, in this regime, in terms of an emergent pseudospin symmetry [SU(2)]4, which leads to the appearance of entangled orders in the region close to the non-trivial fixed point of the model. We also show that the fermionic excitations in the adjacent regions to the hot spots get a gap in both charge a spin excitation spectra. Because of this, we argue that the Fermi surface of the model can be reconstructed, leading therefore to the formation of either Fermi arcs or electronic pockets. The second model analyzed in this thesis was the three-band Emery model, which describes all the interacting processes between fermionic excitations localized in both copper (Cu) and oxygen (O) orbitals in the CuO2 unit cell. By making use of a Hubbard-Stratonovich transformation, we introduce two order parameters in the system: one for the so-called ΘII-loop-current order, which violates Z2 time-reversal symmetry, and another one for the entangled phase with dx 2 -y 2 symmetry involving the singlet superconducting instability and the quadrupole density wave order, whose wave vector points in the direction of the Brillouin zone diagonal. Minimizing the free energy of the model, we derive the self-consistent mean-field equations for these order parameters. The solution of these equations for the zero temperature regime shows that the two phases compete with themselves for the same region of the phase space and, consequently, the system tends not to display coexistence between them. We argue that this effect could be the main reason for the fact that the quadrupole density wave order has never been observed in experiments performed on the cuprate superconductors. Next, we analyze the competition between the ΘII-loop-current order, which is experimentally observed, and charge order with dx 2 -y 2 symmetry and wave vectors in the direction of the main axes of the Brillouin zone. As a result, we obtain that the system only exhibits coexistence between the ΘII-loop-current phase and the bidirectional charge order. Due to the existence of a pseudospin symmetry in this model, we also confirm that the ΘII-loop-current phase coexists with the bidirectional pair density wave order. Finally, we discuss the implications of these results for the pseudogap phase of the cuprate superconductors, which appears in the underdoped regime in these systems.eng
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dc.description.resumoInvestigamos aqui as propriedades de baixa energia de dois modelos eletrônicos fortemente correlacionados em duas dimensões espaciais. O primeiro deles consiste em uma versão do modelo de Hubbard em que são considerados apenas os graus de liberdade do sistema na vizinhança dos chamados hot spots, que são definidos como a intersecção da superfície de Fermi do modelo com a zona antiferromagnética. Inicialmente, definimos a nossa teoria linearizando a dispersão do modelo nos hot spots e consideramos todos os processos de interação entre essas regiões que conservam momento a menos de um vetor da rede recíproca. Para acessar a física do modelo, recorremos então ao método de grupo de renormalização de teoria de campos e derivamos as equações de fluxo para os acoplamentos na aproximação de dois loops. Como resultado, obtemos que a superfície de Fermi do modelo sofre forte renormalização nos hot spots, ao mesmo tempo que os acoplamentos renormalizados fluem para um ponto fixo não trivial no limite de baixa energia. Sugerimos então que esse sistema pode ser visto como um exemplo de um líquido de não-Fermi em duas dimensões espaciais, devido à ausência de excitações fermiônicas do tipo quasipartícula bem definidas na região próxima aos hot spots. Além disso, resolvemos a equação de Callan- Symanzik para a função de Green de uma partícula na aproximação de dois loops, calculamos a densidade de estados nos hot spots, e derivamos as equações de grupo de renormalização para os parâmetros de ordem das possíveis instabilidades que podem, eventualmente, ocorrer no sistema em baixas energias. Verificamos que o sistema pode ser caracterizado, nesse regime, em termos de uma simetria emergente de pseudospin [SU(2)]4, que leva ao aparecimento de ordens emaranhadas na região próxima ao ponto fixo não trivial do modelo. Mostramos também que as excitações fermiônicas nas regiões adjacentes aos hot spots adquirem um gap nos espectros de excitação de carga e spin. Devido a isso, argumentamos que a superfície de Fermi do modelo pode ser reconstruída, levando assim à formação de arcos de Fermi ou pockets eletrônicos. O segundo modelo analisado nesta tese foi o modelo de três bandas de Emery, que descreve todos processos de interação entre as excitações fermiônicas localizadas nos orbitais do cobre (Cu) e do oxigênio (O) na célula unitária de CuO2. Através de uma transformada de Hubbard-Stratonovich, introduzimos dois parâmetros de ordem no sistema: um para a chamada fase de corrente de loop do tipo ΘII, que viola a simetria de reversão temporal Z2, e outro para a fase emaranhada com simetria dx 2 -y 2 envolvendo a instabilidade supercondutora do tipo singleto e a ordem de densidade de carga quadrupolar, cujo vetor de onda aponta na direção da diagonal da zona de Brillouin. Minimizando a energia livre do modelo, derivamos as equações auto-consistentes de campo médio para esses parâmetros de ordem. A solução dessas equações para o regime de temperatura nula mostra que as duas fases competem entre si pela mesma região do espaço de fase e, consequentemente, o sistema tende a não exibir coexistência entre as mesmas. Argumentamos que esse efeito pode ser a principal razão para o fato de a fase onda de densidade quadrupolar nunca ter sido observada em experimentos realizados nos cupratos supercondutores. Em seguida, analisamos a competição entre as fases de corrente de loop do tipo ΘII, observada experimentalmente, e ordem de carga com simetria dx2-y2 e vetores de onda na direção dos eixos principais da zona de Brillouin. Como resultado, obtemos que o sistema exibe coexistência apenas entre as fases de corrente de loop do tipo ΘII e ordem de carga bidirecional. Devido à existência de uma simetria de pseudospin nesse modelo, confirmamos também que a fase de corrente de loop do tipo ΘII coexiste com a fase onda de densidade de pares bidirecional. Por fim, discutimos as implicações dos nossos resultados para a fase de pseudogap dos cupratos supercondutores, que emerge no chamado regime subdopado nesses sistemas.eng
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESeng
dc.formatapplication/pdf*
dc.identifier.citationCARVALHO, V. S. Aspectos de modelos eletrônicos bidimensionais fortemente correlacionados: aplicações em cupratos supercondutores. 2016. 132 f. Tese (Doutorado em Física) - Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2016.eng
dc.identifier.urihttp://repositorio.bc.ufg.br/tede/handle/tede/7535
dc.languageporeng
dc.publisherUniversidade Federal de Goiáseng
dc.publisher.countryBrasileng
dc.publisher.departmentInstituto de Física - IF (RG)eng
dc.publisher.initialsUFGeng
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Fisica (IF)eng
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectTeoria quântica de campospor
dc.subjectSistemas fermiônicospor
dc.subjectSupercondutividadepor
dc.subjectMecânica estatísticapor
dc.subjectQuantum field theoryeng
dc.subjectFermionic systemseng
dc.subjectSuperconductivityeng
dc.subjectStatistical mechanicseng
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICAeng
dc.titleAspectos de modelos eletrônicos bidimensionais fortemente correlacionados: aplicações em cupratos supercondutoreseng
dc.title.alternativeAspects of strongly correlated two-dimensional electronic models: applications in cuprate superconductorseng
dc.typeTeseeng

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