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高温超导体以其较高的超导转变温度和奇特的物理性质而闻名,是当前凝聚态物理学领域最为复杂的系统之一,吸引了许多理论和实验物理学家的浓厚兴趣。特别是最近发现的铁基超导材料,为高温超导机制的研究开辟了一条除铜氧化物超导材料之外的新的道路,再次掀起了高温超导研究的热潮。本文从理论上研究了均匀外加磁场对铜氧化物超导体超导态动力学自旋响应的影响、铁基超导体正常态的电子结构以及相关的物理性质。
在第一章中,我们回顾了超导物理学的研究历史,简要介绍了铜氧化物超导体和铁基超导体的基本性质、非弹性中子散射实验和角分辨光电子谱实验的一些主要结果,以及高温超导的理论研究进展。
然后在第二章中,我们介绍了铜氧化物超导体CuO2平面的电子结构,以及描述CuO2平面内主要低能物理过程的t-J模型和能够很好地处理t-J模型中电子单占据局域约束条件的电荷自由度与自旋自由度相分离的费米子-自旋理论。
第三章,我们在动能驱动的高温超导电性理论下,研究了均匀外加磁场对铜氧化物超导体超导态动力学自旋响应的影响。我们的结果表明,适当的均匀外加磁场的引入,使磁散射在低能区域和中间能区域发生了剧烈的改变。随着外加磁场的增大,虽然在低能区域和高能区域仍然是非公度磁散射,但公度的磁共振散射峰变宽。自旋激发谱在大部分能量区域是类似于沙漏型的色散关系,但在极低能区域,这一能量色散关系被破坏。理论也预言了没有外加磁场作用情况下的公度磁共振散射在足够强的均匀外加磁场作用下会被诱导成非公度的磁共振散射。
紧接着在第四章中,我们在t-t-J模型下,考虑了多轨道相互作用,对铁基超导体的电子谱、准粒子色散关系,以及能带重整化进行了研究。我们展示了铁基超导体在布里渊区[0,0]和[π,π]点附近的电子谱,及其在接近费米能级区域随掺杂浓度和温度的演化。电子谱的反键态(类空穴)和成键态(类电子)部分对电子谱函数贡献的区别是本质的。也就是说,对铁基超导体的低能性质贡献最大的低能谱权重在[0,0]点时主要来自于反键态(类空穴)部分,而在[π,π]点时则主要来自于成键态(类电子)部分。这与角分辨光电子谱的实验结果定性一致。我们的结果表明,铁基超导体复杂的电子结构与多轨道相互作用以及电子准粒子和集体磁激发之间的强相互作用有着密切的关系。
最后在第五章我们给出总结与展望。