[论文解读] High-order Van Hove singularities in cuprates and related high-Tc superconductors

R. S. Markiewicz, Bahadur Singh+2 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 28被引用 6

一句话总结

该论文在铜氧化物及其相关高温超导体中识别出高阶范霍夫奇点（VHSs），并证明这些奇点——由电子维度低于晶格维度所驱动——在态密度中表现出超越对数发散的特性。研究发现，VHS的阶数与超导转变温度（Tc）存在直接关联，高阶VHSs与更高的Tc相关，表明其在增强电子关联并稳定非平凡关联相方面具有关键作用。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) Van Hove singularities (VHSs) associated with the saddle points or extrema of the energy dispersion usually show logarithmic divergences in the density of states (DOS). However, recent studies find that the VHSs originating from higher-order saddle-points have faster-than-logarithmic divergences, which can amplify electron correlation effects and create exotic states such as supermetals in 2D materials. Here we report the existence of 'high-order' VHSs in the cuprates and related high-Tc superconductors and show that the anomalous divergences in their spectra are driven by the electronic dimensionality of the system being lower than the dimensionality of the lattice. The order of VHS is found to correlate with the superconducting Tc such that materials with higher order VHSs display higher Tc's. We further show that the presence of the normal and higher-order VHSs in the electronic spectrum can provide a straightforward marker for identifying the propensity of a material toward correlated phases such as excitonic insulators or supermetals. Our study opens up a new materials playground for exploring the interplay between high-order VHSs, superconducting transition temperatures and electron correlation effects in the cuprates and related high-Tc superconductors.

研究动机与目标

• 研究铜氧化物及高温超导材料中高阶范霍夫奇点（VHSs）的存在及其影响。
• 确定电子维度低于晶格维度时，如何驱动异常强烈的VHS发散。
• 关联不同铜氧化物中VHS的阶数与超导转变温度（Tc）。
• 确立高阶VHSs作为预测材料是否易形成非平凡关联相（如超金属或激子绝缘体）的指标。
• 探讨玻色子VHSs在驱动不稳定性及相变（包括自旋玻璃和电荷密度波序）中的作用。

提出的方法

• 通过材料特异性跃迁积分参数t′/t和t″/t，对t-t′-t″紧束缚模型进行数值分析，以模拟铜氧化物相关的能带色散。
• 计算态密度（DOS）和响应函数，以识别VHS奇点及其发散阶数，区分(π,π)和Γ中心(0,0)的VHSs。
• 通过掺杂和色散调制下VHS线形的演化，检测功率律发散超过对数行为的高阶奇点。
• 分析VHS间与VHS内散射过程，以理解反铁磁（AFM）、自旋密度波（SDW）和电荷密度波（CDW）序等竞争不稳定性。
• 将VHS分析扩展至玻色子能带，通过将电子-空穴对视为有效玻色子，识别有效色散关系中的高阶VHSs。
• 在玻色子系统中使用响应函数作为有效色散的代理，探测潜在的激子不稳定性及相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 高阶范霍夫奇点是否存在于铜氧化物及其相关高温超导体中？其发散强度为何超过对数标度？
• RQ2 电子维度相对于晶格维度的降低如何影响高阶VHSs的形成与强度？
• RQ3 不同铜氧化物家族中，VHS奇点的阶数与超导转变温度（Tc）之间是否存在定量关联？
• RQ4 高阶VHSs能否作为识别易形成非平凡关联相（如超金属或激子绝缘体）材料的通用指标？
• RQ5 玻色子高阶VHSs在驱动相变中起何作用，特别是在自旋玻璃和电荷序不稳定性的情境下？

主要发现

• 在铜氧化物中识别出具有幂律发散的高阶范霍夫奇点，其由电子维度低于晶格维度所驱动。
• VHS奇点的阶数与超导转变温度（Tc）正相关，高阶VHSs与Bi2212和LSCO等材料中更高的Tc相关。
• 观察到VHS二象性，奇点同时存在于(π,π)和Γ中心(0,0)动量点，且随掺杂和色散调制独立演化。
• 通过调节色散参数t′/t和t″/t，可产生具有高阶VHS的平坦能带，诱导电子关联的简并而非不稳定性，表明关联效应处于微妙平衡。
• 由有效电子-空穴对色散导出的玻色子高阶VHSs，其行为类似于次级电子VHSs，或可作为激子相的直接指标。
• VHS间（近π,π）与VHS内（长波长）散射过程的竞争，解释了交织序的出现及高温超导穹顶的关闭，尤其在Bi2212中，Tc在x_cross < x_VHS处达到峰值。