True charge-transfer gap in parent insulating cuprates

Abstract

A large body of experimental data point towards a charge transfer instability of parent insulating cuprates to be their unique property. We argue that the true charge transfer gap in these compounds is as small as 0.4-0.5 eV rather than 1.5-2.0 eV as usually derived from the optical gap measurements. In fact we deal with a competition of the conventional (3d 9 ) ground state and a charge transfer (CT) state with formation of electron-hole dimers which evolves under doping to an unconventional bosonic system. Our conjecture does provide an unified standpoint on the main experimental findings for parent cuprates including linear and nonlinear optical, Raman, photoemission, photoabsorption, and transport properties anyhow related with the CT excitations. In addition we suggest a scenario for the evolution of the CuO2 planes in the CT unstable cuprates under a nonisovalent doping. II. ELECTRON-LATTICE RELAXATION AND CT INSTABILITY OF PARENT CUPRATESMinimal energy cost of the optically excited disproportionation or electron-hole formation due to a direct Franck-Condon (FC) CT transition in insulating cuprates is E opt gap ≈1.5-2 eV. This relatively small value of the optical gap is addressed to be an argument against the "negative-U " disproportionation reaction 2Cu(II) = Cu(III) + Cu(I) 9 , or more correctlyHowever, the question arises, what is the energy cost for the thermal excitation of such a local disproportionation?The answer implies first of all the knowledge of relaxation energy, or the energy gain due to the lattice polarization by the localized charges. The full polarization energy R includes the cumulative effect of electronic and ionic terms, related with the displacement of electron shells and ionic cores, respectively. The former term R opt is due

Переход Зарядовый Порядок-Сверхтекучесть В Двумерной Системе Локальных Бозонов И Возникающие Доменные Структуры

“…С приходом эры спиновых флуктуаций и квантовых осцилляций интерес к этой модели заметно остыл, и она была незаслуженно забыта. Мы полагаем, что природа особых свойств купратов может быть связана с наблю-даемыми в них высокой диэлектрической проницаемо-стью и сильными электронно-решеточными поляризаци-онными эффектами, а также с их неустойчивостью по отношению к конденсации экситонов с d−d переносом заряда [2,3,4] и эволюцией в электронно-дырочную (ЭД) систему. В отличии от электронно-дырочной жидкости в полупроводниках, которая представляет собой двух-компонентную ферми-жидкость, ЭД-система в купратах представляет собой систему локализованных электрон-ных [CuO ] центров, или, номи-нально, Cu 1+ и Cu 3+ ионов с двухчастичным бозон-подобным транспортом.…”

“…В отличии от электронно-дырочной жидкости в полупроводниках, которая представляет собой двух-компонентную ферми-жидкость, ЭД-система в купратах представляет собой систему локализованных электрон-ных [CuO ] центров, или, номи-нально, Cu 1+ и Cu 3+ ионов с двухчастичным бозон-подобным транспортом. Такая ЭД-система эквивалентна системе локальных бозонов [2,3,4]. Реальная фазовая диаграмма T −x для ВТСП-купратов отражает резуль-тат борьбы в основном состоянии между двумя про-стыми фазами: бозонной Cu 1+ −Cu 3+ ЭД-системой и фермионной системой Cu 2+ −Cu 3+ или Cu 2+ −Cu 1+ , в частности, конкуренции между двух-и одночастичным транспортом с сопротивлением ∝ T и ∝ T 2 соответ-ственно.…”

“…Реальная фазовая диаграмма T −x для ВТСП-купратов отражает резуль-тат борьбы в основном состоянии между двумя про-стыми фазами: бозонной Cu 1+ −Cu 3+ ЭД-системой и фермионной системой Cu 2+ −Cu 3+ или Cu 2+ −Cu 1+ , в частности, конкуренции между двух-и одночастичным транспортом с сопротивлением ∝ T и ∝ T 2 соответ-ственно. Для описания более сложной бозонфермион-ной системы Cu 1+ −Cu 2+ −Cu 3+ можно использовать псевдоспиновый (S = 1) формализм (модель зарядового триплета) [2,3,4,5,6] или более традиционные бозон-фермионные сценарии (см., например, [7,8]). …”

“…Чисто бозонный бесспиновый сценарий для допи-рованных купратов является очевидным упрощением, однако он позволяет описать многие характерные черты зарядовой степени свободы в нормальном и сверхпрово-дящем состояниях, в том числе, необычную псевдощеле- [2,3,4,6], которая может быть связана с типич-ной для системы локальных бозонов фазой зарядового порядка. Простейший пример перехода от зарядового упорядочения к сверхтекучей жидкости реализуется в двумерной модели заряженных локальных бозонов.…”

Unconventional phase separation in the model 2D spin-pseudospin system

“…In our model approach [4] to copper oxides such as La 2−x Sr x CuO 4 we assume that the on-site Hilbert space ⋆ e-mail: kbudrin@yandex.ru ⋆⋆ e-mail: yuri.panov@urfu.ru is reduced to only three effective charge states (nominally Cu 1+;2+;3+ ) of copper ions in the CuO 2 planes. These charge states are associated with components of the S = 1 pseudospin triplet with M S = −1, 0, +1, respectively.…”