[论文解读] Fermi pockets in a d-wave superconductor with coexisting loop-current order

Steven A. Kivelson, C. M. Varma|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2012

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 3

一句话总结

本文提出，在具有共存的原胞内环流序的 d 波超导体中，Bogoliubov 准粒子会形成有限尺寸的费米口袋，导致低温下出现剩余的线性-T 比热和有限的顺磁电导率——这是超导态中稳定费米表面的关键特征，可能解释欠掺杂 YBCO 中的异常现象。

ABSTRACT

A d-wave superconducting phase with coexisting intra-unit-cell orbital current order has the remarkable property that it supports finite size Fermi pockets of Bougoliubov quasiparticles. Experimentally detectable consequences of this include a residual $T$-linear term in the specific heat in the absence of disorder and residual features in the thermal and microwave conductivity in the low disorder limit.

研究动机与目标

• 为了解释在高质量 YBa2Cu3O7-δ 晶体中观测到的剩余线性-T 比热，该现象即使在无无序的情况下依然存在。
• 研究 d 波超导体中的环流序如何稳定准粒子的有限费米面，与传统的 BCS 预期相反。
• 将节点费米口袋的理论预测与铜氧化物超导体中可测量的输运和热力学性质联系起来。
• 评估该态作为赝能隙相及其在高温超导体中相关异常现象解释的可行性。
• 为解释微波和热电导率数据提供一个理论框架，将其与剩余准粒子态密度联系起来。

提出的方法

• 在正方晶格上构建单轨道紧束缚模型，包含 d 波超导配对和平均场环流序参数。
• 引入动量依赖的准粒子能带色散偏移 J_k，破坏时间反演和镜像对称性，同时保持晶格和自旋旋转不变性。
• 推导准粒子能谱 E_k = J_k ± √(ε_k² + |Δ_k|²)，表明环流序将原始的 d 波节点分裂为两个节点点和两个椭圆形费米口袋。
• 计算态密度至能量的一阶近似，N(E) = (2/π)(J̄ + |E|)/(ℏ²v_F v_Δ)，表明由于费米口袋的存在，零能态密度为有限值。
• 将费米口袋的大小与可测量量（如比热系数 γ 和顺磁电导率 S）关联，S ∝ A ∝ (J̄²)/(v_F v_Δ)。
• 利用 YBCO 的实验数据估算环流序参数 J̄ ≈ 60 meV，与观测到的 γ(0) ≈ 2 mJ/mol·K² 一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有共存环流序的 d 波超导体能否支持有限尺寸的准粒子费米口袋？
• RQ2 此类费米口袋在超导态中的实验可观测后果是什么？
• RQ3 环流序的存在如何改变 E=0 附近准粒子谱和态密度？
• RQ4 该机制能否解释 YBCO 中观测到的剩余线性-T 比热和顺磁电导率？
• RQ5 微波电导率和热输运测量对这些费米口袋的存在和大小施加了何种约束？

主要发现

• d 波超导性与环流序的共存导致准粒子谱中形成两个椭圆形费米口袋和两个偏移的节点点。
• 零能态密度为有限值，表达式为 N(0) = (2/π)(J̄)/(ℏ²v_F v_Δ)，其中 J̄ = 60 meV 由 YBCO 中 γ(0) ≈ 2 mJ/mol·K² 推断得出。
• 比热在低温下表现出剩余的线性-T 项，与高质量 YBCO 晶体中的实验观测一致。
• 顺磁电导率 S 预测约为正常态值的 3%，与环流序参数的平方成正比，并在序消失时趋于零。
• 微波电导率数据中积分光谱权重随温度线性变化，支持未配对准粒子权重的存在，与费米口袋一致。
• 估算的环流序寿命 τ_loop ≈ 10⁻¹¹ s 暗示热导率有显著增强，尽管目前尚未在实验中观测到这一现象。