[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出，在铜氧化物超导体中，自旋-费米子耦合会因具有能隙 Δₛ 的传播自旋激发（磁振子样准粒子）而产生电子响应函数中的实验可观测奇异性。研究表明，谱函数、态密度、隧道电导率和光学电导率在 ω = Δ + Δₛ 和 ω = 2Δ + Δₛ 处表现出显著特征，为自旋介导的 d 波配对提供了直接指纹，且这些特征与中子散射测量得到的 Δₛ 值高度一致。

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.

研究动机与目标

• 识别铜氧化物中自旋介导的 d 波超导性的实验可观测特征。
• 确立集体自旋激发（磁振子样准粒子）的反馈会以可测量方式修改费米子响应函数。
• 将角分辨光电子能谱（ARPES）、隧道效应和光学电导率中观测到的奇异性与自旋共振能隙 Δₛ 关联，验证磁性配对情景。
• 将理论预测的在 Δ+Δₛ 和 2Δ+Δₛ 处的奇异性与多种探测手段的现有实验数据相协调。

提出的方法

• 使用强耦合自旋-费米子模型，描述通过具有能隙 Δₛ 的集体自旋激发交换引起的电子相互作用。
• 采用自洽方法分析费米子自能和谱函数，包含在 Tc 以下传播的自旋模式。
• 在同一框架内计算态密度、SIS 隧道电导率和光学电导率（W(ω)），包含顶点修正和反馈效应。
• 推导响应函数奇异性的解析表达式，表明在 ω = Δ + Δₛ（谱函数、态密度）和 ω = 2Δ + Δₛ（隧道电导率、光学电导率）处出现尖锐特征。
• 将理论预测与 ARPES、隧道效应和光学电导率数据进行比较，并利用中子散射测量验证 Δₛ。
• 考虑有限温度效应，表明当 T ≪ Δ 时，2Δ + Δₛ 处的奇异性仍保持清晰。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 d 波超导体中，费米子与传播自旋激发之间的相互作用是否会在电子响应函数中产生实验可观测的奇异性？
• RQ2 谱函数、态密度、隧道电导率和光学电导率中在 ω = Δ + Δₛ 和 ω = 2Δ + Δₛ 处的预测奇异性是否与现有实验数据一致？
• RQ3 从多种探测手段提取的自旋共振能隙 Δₛ 值是否与直接的中子散射测量结果一致？
• RQ4 光学电导率中在 4Δ 和 2Δ + 2Δₛ 处的次级奇异性是否可作为磁性配对机制的额外证据？

主要发现

• 由于与传播自旋激发的耦合，费米子谱函数和态密度在 ω = Δ + Δₛ 处表现出尖锐奇异性，且峰位于接近热点的位置。
• SIS 隧道电导率和光学电导率在 ω = 2Δ + Δₛ 处表现出主导奇异性，其来源为通过自旋模式发生的两费米子散射。
• 从 ARPES、隧道效应和光学电导率数据中提取的 Δₛ 值与中子散射测量的共振能量高度一致，表明多种探测手段之间具有强一致性。
• 在光学电导率中预测了 4Δ 和 2Δ + 2Δₛ 处的次级奇异性，并已在实验中于预期频率处观测到。
• 有限温度效应会降低 2Δ + Δₛ 峰的锐度，但该奇异性在 T ≪ Δ 时仍保持在相同频率。
• 结果为铜氧化物中的磁性配对情景提供了强有力证据，因为所观测到的奇异性唯一地与自旋介导的配对相关，而在常规 s 波理论中并不存在。