[论文解读] Exploring High-Temperature Superconductivity in the Extended Hubbard Model with Antiferromagnetic Tendencies

Zhipeng Sun, Hai-Qing Lin|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 6

一句话总结

本研究通过平均场理论，研究了在强局域库仑排斥作用下，具有近邻吸引作用的扩展 Hubbard 模型中的高温超导性，假设其具有反铁磁（AFM）倾向。研究发现，在宽广的掺杂范围内，d波超导序与 AFM 有序共存，且Tc与近邻吸引强度|V|近乎成正比，表明平坦能带和强电子-声子耦合是增强Tc的关键因素。

ABSTRACT

The enigma of unconventional superconductivity in doped cuprates presents a formidable challenge in the realm of condensed matter physics. Recent findings of strong near-neighbor attractions in one-dimensional cuprate chains suggest a new avenue for investigating cuprate superconductors. Consequently, we revisited the superconductivity in the extended Hubbard model at the mean-field level. Anticipating a prevalence of antiferromagnetic order due to strong local Coulomb repulsion, our calculations reveal the coexistence of superconducting and antiferromagnetic orders across a wide range of doping at sufficiently low temperatures. The mean-field results capture some key features of cuprate superconductors, including $d$-wave pairing symmetry, a dome-shaped dependence of $T_c$ on doping, and higher superconducting transition temperatures. Additionally, we observed a nearly proportional relationship between $T_c$ and the strength of the nearest-neighbor attraction, reminiscent of experimental findings at the FeSe/SrTiO3 interface. The mean-field results suggest that the extended Hubbard model could be the appropriate framework for investigating cuprate superconductivity and offer insights for more precise calculations within this model in future.

研究动机与目标

• 研究在强局域库仑排斥作用下，扩展 Hubbard 模型中超导性与反铁磁序之间的相互作用。
• 评估在模型中引入近邻吸引作用是否能稳定与铜氧化物物理现象一致的高Tc超导性。
• 探讨费米能级附近范霍夫奇点（vHS）与平坦能带在增强Tc中的作用。
• 检验平均场方法在捕捉Tc随掺杂浓度呈现的穹顶形依赖关系及d波配对对称性方面的有效性。
• 为未来在扩展 Hubbard 模型中进行更精确的计算提供理论基础。

提出的方法

• 对包含局域排斥作用（U）、近邻吸引作用（V）及跃迁项的扩展 Hubbard 哈密顿量应用平均场近似。
• 假设系统具有反铁磁序倾向，该倾向被纳入自洽的平均场方程中。
• 同时求解适用于超导和反铁磁序参数的 BCS 型间隙方程。
• 计算态密度（DOS），以识别费米能级附近的范霍夫奇点（vHS），这些奇点可能增强Tc。
• 系统分析Tc对掺杂浓度、U和|V|的依赖关系，特别关注Tc ∝ |V|的正比关系。
• 检查超导序参数的空间调制，以探测配对密度波（PDW）的特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强局域排斥作用下，具有近邻吸引作用的扩展 Hubbard 模型能否支持高Tc超导性？
• RQ2 近邻吸引作用强度|V|与超导转变温度Tc之间存在何种关系？
• RQ3 费米能级附近的范霍夫奇点与平坦能带如何影响该模型中的Tc？
• RQ4 在平均场框架下，反铁磁序与超导序是否在宽广的掺杂范围内共存？
• RQ5 该模型能否再现铜氧化物中观察到的Tc随掺杂浓度呈穹顶形依赖的特征？

主要发现

• 平均场解显示，在低温下，d波超导序与反铁磁序在宽广的掺杂范围内共存。
• 发现Tc与近邻吸引作用强度|V|之间存在近乎正比关系，与在FeSe/SrTiO3界面的实验观测一致。
• 费米能级附近的范霍夫奇点（vHS）被识别为增强Tc的关键因素，可能解释Tc ∝ |V|的标度关系。
• 数值上观察到平坦能带，并表明其在提高Tc方面起着根本性作用，支持平坦能带是非传统超导体中普遍特征的观点。
• AFM与SC序的共存导致具有动量Q的配对密度波（PDW）出现，表明超导序参数存在空间调制。
• 存在两个不同的能隙——超导能隙与反铁磁能隙——共存，提示这可能是铜氧化物中赝能隙相的可能起源。