[论文解读] Four-legged starfish-shaped Cooper pairs with ultrashort antinodal length scales in cuprate superconductors

Haoxiang Li, Xiaoqing Zhou+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 6被引用 4

一句话总结

本研究通过先进的ARPES重构技术揭示，Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊δ中的库珀对呈现出四条腿的海星形状，其反节点方向的长度尺度极短，约为~4.5 Å——与晶格常数相当。该尺度在不同掺杂水平下持续存在，表明其为库珀对的基本属性，可能与向列序及电荷/成对密度涨落有关。

ABSTRACT

Cooper pairs of mutually attracting electrons form the building blocks of superconductivity. Thirty years after the discovery of high-temperature superconductivity in cuprates, many details of the pairs remain unknown, including their size and shape. Here we apply brand new ARPES-based methods that allow us to reconstruct the shape and size of the pairs in Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+δ}$. The pairs are seen to form a characteristic starfish shape that is very long (>50Å) in the near-nodal direction but extremely short (~4.5Å) in the antinodal (Cu-O) direction. We find that this ultrashort antinodal length scale, which is of order a lattice constant, is approximately constant over a wide range of doping levels even as many other parameters including the pairing strength change. This suggests that this new length scale, along with the pair shape, is one of the most fundamental characteristics of the pairs. Further, the shape and ultrashort length scale should make the pairs create or intertwine with variations in charge and pair density, center on various types of lattice positions, and potentially explain aspects of the nematic order in these materials.

研究动机与目标

• 确定高温铜氧化物超导体（特别是Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊δ）中库珀对的空间形状与尺寸。
• 研究尽管配对强度发生变化，配对尺寸与形状在不同掺杂水平下是否保持稳定。
• 探讨所观测到的配对形态对新兴电子序（如向列性）的潜在影响。
• 识别配对波函数中可能决定非传统超导行为的根本长度尺度。

提出的方法

• 采用先进的角分辨光电子能谱（ARPES）结合新型数据分析技术，重构库珀对的实空间形状。
• 通过准粒子激发在动量空间的映射，推断配对波函数的空间结构。
• 应用一种理论框架，将测量的谱函数与库珀对波函数的空间形式关联起来。
• 通过比较布里渊区中近节点方向与反节点方向的各向异性，分析配对尺寸的各向异性。
• 通过将重构的配对形状拟合为具有明显径向延伸的海星状形态，提取反节点方向的长度尺度。
• 采用一致的分析协议，在一系列掺杂水平下验证反节点长度尺度的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于ARPES数据，Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊δ中库珀对的空间形状与尺寸是什么？
• RQ2 库珀对的反节点长度尺度如何随掺杂变化？在不同电子相中是否保持稳定？
• RQ3 所观测到的海星状配对波函数能否解释铜氧化物中向列序的出现？
• RQ4 约4.5 Å的超短反节点长度尺度在晶体结构与电子关联方面具有何种物理意义？
• RQ5 反节点长度尺度是否为超导态的基本参数，独立于配对强度的变化？

主要发现

• Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊δ中的库珀对呈现四条腿的海星形状，在近节点方向延伸超过50 Å，但在反节点（Cu-O）方向被限制在约4.5 Å以内。
• 尽管配对强度及其他电子参数发生显著变化，反节点长度尺度~4.5 Å在广泛掺杂范围内保持近似恒定。
• 该极短的反节点长度尺度与晶格常数量级相当，表明其与底层晶体结构有强烈耦合。
• 该尺度的持续存在表明其为库珀对波函数的基本属性，而非次级效应。
• 海星形态暗示配对可产生或耦合电荷密度与成对密度的空间调制，可能解释向列序的起源。
• 结果表明，配对形状及其反节点方向的局域化是铜氧化物超导态的内在特性，暗示其与电子非均匀性存在深层关联。