铜氧化物超导体自旋激发性质和条纹相中谱学及光学性质研究

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对高温超导机制的研究是凝聚态物理中最富有挑战性的一个课题。本文首先回顾了高温超导发现的历史、主要的实验手段和现象以及描述高温超导的主要理论方法,其次是我们针对高温超导铜氧化物的一些研究工作。工作的第一部分是在t-t-t"-J模型和slave-boson平均场理论的基础下,研究了电子型掺杂铜氧化物超导体的自旋磁化率,主要分为以下两个部分:   (1)我们研究了电子型掺杂铜氧化物超导体在可能存在的三种超导能隙配对下的自旋极化率。这三种超导能隙配对分别为,dx2-y2-波,加了高次项的dx2-y2波,和dx2-y2+is-波配对。我们主要研究高次的d-波项和s-波成分对自旋极化率的影响。计算发现,在超导态,低频时的自旋极化率是公度的,存在着一个临界频率ωc,在这个频率之上,自旋极化率变为非公度,而且这个临界的频率随着掺杂的增加而增大。在欠掺杂区和最佳掺杂时有一个自旋共振峰。这三种配对对称性下自旋极化率的特征非常相似,意味着费米面拓扑形状在自旋极化率中有非常重要的地位。其中,s-波成分对自旋极化率的影响主要表现在极低频的时候,自旋极化率也是公度的,而其它两种配对下则是非公度的。高次的d-波成分对自旋极化率的主要影响在于,在高频区的非公度峰显示围绕(π,π)点的圆环形状,也就是说,其非公度性是各向同性的。其他两种配对下在高能的非公度峰在(π,π+δπ)区以及相应的对称点区。   (2)电子型掺杂铜氧化物超导体的欠掺杂区到最佳掺杂区很大的一个掺杂范围内,反铁磁序和超导序都是共存的。在此共存图象下,准粒子的能隙是两种序共同作用的结果,在动量空间能隙具有非单调d波的形式。在共存相里,所有掺杂下的自旋极化率在临界能量ωc以下的很大能量区域内都是公度的。当频率高于ωc时,自旋极化率变为非公度。这个结论与中子散射的实验结果符合的很好,比较共存相下和考虑了高次项的dx2-y2波配对的纯超导相下的自旋磁化率,我们提出两带模型能够同时自洽的解释电子型掺杂铜氧化物超导体里自旋极化率的特征和非单调d波能隙行为。   本文的第二部分在基于一个实际的能够反映自旋序(电荷序)产生的散射势Vs(Vc)的条纹相模型下,研究了高温超导体的超导属性,条纹相的谱函数以及光电导的性质。计算发现,在铜氧化物高温超导体中的条纹相结构中,单纯的自旋序散射和电荷序散射对超导都起压制的作用,但是如果在反铁磁背景上的电荷序散射则有利于超导,在压制超导性上,电荷序产生的散射势Vc,不如自旋序产生的散射势Vs有效。谱函数和光电导的计算自洽的解释了一些铜氧化物高温超导体中ARPES谱和光电导实验中多样的测量结果,进一步研究表明,“绝缘性”和“金属性”都是条纹相的内禀属性,其具体表现为何种特性则依赖于自旋序和电荷序产生的散射势的相对强度,从而从微观上解决了同为条纹相材料,其物理特性却大相径庭的困惑。
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