[论文解读] A suggested 4 x 4 structure in underdoped cuprate superconductors: a Wigner supersolid

P. W. Anderson|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2004

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 4

一句话总结

该论文提出在欠掺杂铜氧化物超导体中存在一种4×4非均匀结构，作为Wigner超固态：一种d波空穴对晶体嵌入在d波共振价键（RVB）背景中。通过使用空间调制的逸度Z的Gutzwiller投影BCS波函数，解释了超导性与电荷序的共存，特别是在1/8掺杂处，节点准粒子保持相干性，而超流刚度被抑制导致Tc降低。

ABSTRACT

A wave function is proposed for the "$4 imes 4$" inhomogeneous structures observed on cuprate superconductors. It is based on the Gutzwiller-RVB technique proposed in recent papers, and consists of a Wigner solid of hole pairs embedded in a sea of d-wave spin singlet pairs. Arguments are given that the nodal quasiparticles may remain unscattered and even superconducting on such a structure.

研究动机与目标

• 解释在欠掺杂铜氧化物的STM实验中观测到的4×4电荷密度波结构。
• 解释尽管存在电荷序，超导性仍持续存在且节点准粒子保持相干性的原因。
• 解决LSCO及相关材料中1/8掺杂异常这一长期存在的难题。
• 为结合超导序与晶格序的超固态相提供一个微观波函数。
• 在统一的Gutzwiller投影BCS框架下，调和长程库仑驱动的电荷序与d波超导性的共存。

提出的方法

• 提出波函数 |Ψ⟩ = exp(iS) ̂P_G × Z^{n_pairs} × |Φ_BCS⟩，其中Z随空间变化以模拟空穴对密度调制。
• 使用Gutzwiller投影算符 ̂P_G 消除双占轨道，同时保持相位与振幅关系。
• 引入空间变化的逸度Z以表示化学势梯度，其中Z1作用于4×4晶胞，Z2作用于周围格点。
• 通过重整化平均场理论处理体系，求解修正BCS态的自洽配对方程。
• 将超流刚度ρs建模为与Z成正比，表明低Z区域的ρs降低，从而解释Tc的抑制。
• 通过亚晶格势分析能带结构，表明由于节点处态密度随E²趋于零，节点准粒子保持相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在欠掺杂铜氧化物中，特别是在1/8掺杂时，会出现4×4电荷密度波结构？
• RQ2 在强电子排斥作用下，超导性如何与长程电荷序共存？
• RQ3 LSCO中1/8掺杂异常的微观起源是什么？为何其不发生在如1/16等更低掺杂浓度下？
• RQ4 在破坏平移对称性的电荷密度波存在下，节点准粒子为何仍能保持相干性？
• RQ5 为何STM和涡旋核心研究中观测到的晶格常数略大于4a？

主要发现

• 所提出的4×4结构是一种Wigner超固态：d波空穴对晶体嵌入在d波RVB背景中，由库仑能降低和动能代价共同稳定。
• 逸度Z的空间调制，其中Z1 ≈ 0.33作用于中心晶胞，Z2 ≈ 0.2作用于其他位置，导致4×4位点处空穴对密度达到最大。
• 节点准粒子保持相干，因为节点附近态密度随E²趋于零，从而最小化散射。
• 在低Z区域，超流刚度ρs降低，解释了非均匀相中Tc的抑制。
• 能量平衡有利于d = 4a，当库仑能降低∝ (δZ)²/d 超过动能代价∝ (δZ/d)²时，最优d² = 2/x。
• 观测到的d ≠ 4a（如涡旋核心中d ≈ 4.5a）被归因于晶界效应和超流刚度降低，与模型一致。