[論文レビュー] Fingerprints of spin-fermion pairing in cuprates

Ar. Abanov, Andrey V. Chubukov+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2000

Advanced Physical and Chemical Molecular Interactions参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、銅酸化物超伝導体におけるスピン・フェルミオン結合が、ギャップ Δₛ を持つ磁気モードに類似した準粒子の伝播に起因して、電子的応答関数に実験的に検出可能な特異性を生成すると提案する。この特異性は、スペクトル関数、状態密度、トンネル伝導度、および光学的透過率において、ω = Δ + Δₛ および ω = 2Δ + Δₛ で明著な特徴を示すことが示され、スピン媒介の d 波対称性対称性の直接的な指紋とされる。これらの特徴は、Δₛ の中性子散乱データと強く整合している。

ABSTRACT

We demonstrate that the feedback effect from bosonic excitations on fermions, which in the past allowed one to verify the phononic mechanism of a conventional, $s-$wave superconductivity, may also allow one to experimentally detect the ``fingerprints'' of the pairing mechanism in cuprates. We argue that for spin-mediated $d-$wave superconductivity, the fermionic spectral function, the density of states, the tunneling conductance through an insulating junction, and the optical conductivity are affected by the interaction with collective spin excitations, which below $T_c$ are propagating, magnon-like quasiparticles with gap $Δ_s$. We show that the interaction with a propagating spin excitation gives rise to singularities at frequencies $Δ+ Δ_s$ for the spectral function and the density of states, and at $2Δ+ Δ_s$ for tunneling and optical conductivities, where $Δ$ is the maximum value of the $d-$wave gap. We further argue that recent optical measurements also allow one to detect subleading singularities at $4Δ$ and $2Δ+ 2Δ_s$. We consider the experimental detection of these singularities as a strong evidence in favor of the magnetic scenario for superconductivity in cuprates.

研究の動機と目的

• 銅酸化物超伝導体におけるスピン媒介の d 波超伝導の実験的に検出可能な痕跡を同定すること。
• 集団的スピン励起（磁気モードに類似した準粒子）のフィードバックが、測定可能な方法でフェルミオンの応答関数を変化させることを確立すること。
• ARPES、トンネル、光学的透過率における観察された特異性をスピン共鳴ギャップ Δₛ と関連づけ、磁気的対称性のシナリオを検証すること。
• 理論的予測である Δ+Δₛ および 2Δ+Δₛ での特異性が、複数のプローブにわたる既存の実験データと整合することを示すこと。

提案手法

• ギャップ Δₛ を持つ集団的スピン励起の交換を通じて電子相互作用を記述する強結合スピン・フェルミオンモデルを用いる。
• 自己無撞着なアプローチを用いてフェルミオンの自己エネルギーおよびスペクトル関数を分析し、Tc よりも低い温度で伝播するスピンモードを組み込む。
• 同じ枠組み内で状態密度、SISトンネル伝導度、および光学的透過率（W(ω)）を計算し、頂点補正およびフィードバック効果を含む。
• 応答関数における特異性の解析的表現を導出し、スペクトル関数および状態密度における ω = Δ + Δₛ およびトンネル伝導度および光学的透過率における ω = 2Δ + Δₛ での鋭い特徴を示す。
• 理論的予測をARPES、トンネル、光学的透過率データと比較し、Δₛ が中性子散乱測定と整合することを検証する。
• 有限温度効果を検討し、T ≪ Δ の条件下でも 2Δ + Δₛ における特異性が鋭いままであることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 d 波超伝導体におけるフェルミオンと伝播するスピン励起の相互作用が、電子的応答関数に実験的に観測可能な特異性を生じるか？
• RQ2 スペクトル関数、状態密度、トンネル伝導度、光学的透過率における ω = Δ + Δₛ および ω = 2Δ + Δₛ での予測された特異性が、既存の実験データと一致するか？
• RQ3 ARPES、トンネル、光学的透過率の複数のプローブから抽出されたスピン共鳴ギャップ Δₛ の値が、直接の中性子散乱測定と整合するか？
• RQ4 光学的透過率における 4Δ および 2Δ + 2Δₛ での二次的特異性が、磁気的対称性メカニズムの追加的証拠として機能するか？

主な発見

• フェルミオンのスペクトル関数および状態密度は、伝播するスピン励起との結合により、ω = Δ + Δₛ で鋭い特異性を示し、ピークはホットスポット付近に位置する。
• SISトンネル伝導度および光学的透過率は、スピンモードを介した二体フェルミオン散乱に起因して、ω = 2Δ + Δₛ で支配的特異性を示す。
• ARPES、トンネル、光学的透過率データから抽出された Δₛ の値は、中性子散乱共鳴エネルギーとよく一致しており、複数のプローブ間で強い整合性を示す。
• 光学的透過率における 4Δ および 2Δ + 2Δₛ での二次的特異性が理論的に予測され、実験的に期待される周波数で観測されている。
• 有限温度効果は 2Δ + Δₛ ピークの鋭さを低下させるが、T ≪ Δ の範囲では特異性の周波数は同一のまま維持される。
• 観察された特異性がスピン媒介対称性に特有であり、常識的 s 波理論には存在しないことから、銅酸化物における磁気的対称性メカニズムに強い証拠が得られた。