[论文解读] The superfluid density in cuprate high-Tc superconductors - a new paradigm

J. L. Tallon, J. W. Loram+3 more|Max Planck Institute for Plasma Physics|Nov 5, 2002

Superconducting Materials and Applications被引用 16

一句话总结

本文通过引入修正的标度关系 Tc/Do 与 rs 的对比图，提出了一种理解欠掺杂铜氧化物高温超导体中超流密度（rs）的新范式，其中 Do 为零温下的 d 波能隙。该图中观察到的负曲率表明，一种竞争性的基态关联在正常态态密度中打开一个能隙，强烈抑制 rs，其抑制速度远快于 Tc 或 Tc/Do，表明赝能隙显著改变了超导基态。

ABSTRACT

The doping dependence of the superfluid density, r_s, of high-Tc superconductors is usually considered in the context of the Uemura relation, namely Tc proportional to rs, which is generally assumed to apply in the underdoped regime. We show that a modified plot of Tc/Do versus rs, where Do is the maximum d-wave gap at T=0, exhibits universal features that point to an alternative interpretation of the underlying physics. In the underdoped region this plot exhibits the canonical negative curvature expected when a ground-state correlation competes with superconductivity (SC) by opening up a gap in the normal-state DOS. In particular rs is suppressed much faster than Tc/Do or indeed Tc. The pseudogap is found to strongly modify the SC ground state.

研究动机与目标

• 重新表达铜氧化物中超流密度（rs）的掺杂依赖性，超越标准的Uemura关系。
• 研究赝能隙在改变超导基态以及与超导性竞争中的作用。
• 在 Tc/Do 与 rs 的对比图中识别出揭示正常态中潜在竞争关联的普遍特征。
• 通过展示Uemura关系在欠掺杂区的局限性，挑战其传统解释。

提出的方法

• 作者分析了多种铜氧化物材料在欠掺杂区的 Tc 和 rs 实验数据。
• 引入归一化标度变量 Tc/Do，其中 Do 为 T=0 时的最大 d 波能隙，以考虑掺杂依赖的能隙大小。
• 利用 Tc/Do 与 rs 的对比图揭示不同铜氧化物家族之间的普遍趋势。
• 将该图的曲率解释为存在一种竞争性基态关联的证据，该关联在正常态态密度中打开一个能隙。
• 该分析假设 rs 的抑制并非与 Tc 呈线性关系，而是受到赝能隙效应的增强。
• 该方法依赖于对多种高温铜氧化物的拟合与可视化，以识别普遍行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 当以最大 d 波能隙 Do 进行归一化时，超流密度 rs 在欠掺杂铜氧化物中如何随掺杂变化？
• RQ2 Tc/Do 与 rs 对比图中观察到的负曲率由何引起，其对竞争性电子相的含义是什么？
• RQ3 赝能隙在多大程度上改变了超导基态并抑制 rs？
• RQ4 在强赝能隙效应存在的情况下，Uemura 关系 Tc ∝ rs 是否仍然成立？
• RQ5 能否建立一个普遍的标度关系，以捕捉超导性与竞争关联之间的相互作用？

主要发现

• 在欠掺杂区，Tc/Do 与 rs 的对比图表现出典型的负曲率，表明存在一种竞争性基态关联，该关联在正常态态密度中打开一个能隙。
• 随着掺杂浓度降低，超流密度 rs 的抑制速度远快于 Tc 或 Tc/Do，表明抑制效应远超简单的 Uemura 标度。
• 赝能隙态强烈改变了超导基态，意味着超导性并非从简单的 BCS 类正常态中产生。
• 不同铜氧化物家族之间观察到的普遍行为支持正常态中存在一种共同的竞争序参量。
• 数据表明，由于赝能隙和竞争关联的影响，Uemura 关系在欠掺杂区发生失效。
• 修正的标度关系 Tc/Do 与 rs 提供了对高温铜氧化物中配对行为更准确、更具普遍性的描述。