[论文解读] Low energy kink induced by off-plane impurities in BSCCO superconductors

Seung Hwan Hong, Jin Mo Bok+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 1

一句话总结

本文提出，Bi2212铜基超导体中的低能扭结（kinks）源于准粒子通过非平面杂质的前向散射，且在Tc以下的能隙会修改散射率，从而产生观测到的低能特征（LEF）。利用Eliashberg理论，本文表明该机制可解释LEF的能量与Tc成正比及在Tc以下强度增强的现象，为从ARPES数据中提取驱动超导性的涨落谱提供了新途径。

ABSTRACT

There is an enormous interest in renormalization of quasi-particle (qp) dispersion relation of cuprate superconductors both below and above the critical temperature $T_c$ because it enables determination of the fluctuation spectrum to which the qps are coupled. A remarkable discovery by angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) is a sharp low energy feature (LEF) in qp spectra well below the superconducting energy gap but with its energy increasing in proportion to $T_c$ and its intensity increasing sharply below $T_c$. This unexpected feature needs to be reconciled with $d$-wave superconductivity. Here, we present a quantitative analysis of ARPES data from Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+\delta}$ (Bi2212) using Eliashberg equations to show that the qp scattering rate due to the forward scattering impurities far from the Cu-O planes is modified by the energy gap below $T_c$ and shows up as the LEF. This is also a necessary step to analyze ARPES data to reveal the spectrum of fluctuations promoting superconductivity.

研究动机与目标

• 解析Bi2212的ARPES谱中出人意料的低能特征（LEF）的起源，该特征出现在超导能隙以下且随Tc增大。
• 将LEF与铜基超导体中的d波配对对称性相协调，而d波配对对称性本身并不自然预测此类特征。
• 确定前向散射来自非平面杂质是否可通过修改准粒子散射率来产生观测到的LEF。
• 建立一个从ARPES数据中提取促进超导性的涨落谱的框架。

提出的方法

• 应用Eliashberg方程，模拟非平面杂质影响下Bi2212中准粒子散射率的计算。
• 在Tc以下的散射率计算中引入d波超导能隙。
• 分析ARPES数据，提取低能特征（LEF）的能量与强度随温度的变化行为。
• 将理论散射率与实验ARPES谱进行比较，以验证所提出的机制。
• 使用前向散射近似，模拟远离铜氧平面的杂质效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么导致了Bi2212的ARPES谱中出现在超导能隙以下且与Tc成比例的低能特征（LEF）？
• RQ2 如何将LEF与铜基超导体中的d波配对对称性相协调？
• RQ3 来自非平面杂质的前向散射能否解释LEF在Tc以下的观测能量与强度演化？
• RQ4 超导能隙在多大程度上通过修改准粒子散射率来产生LEF？

主要发现

• Bi2212中的低能特征（LEF）源于准粒子通过非平面杂质的前向散射，且其散射率在Tc以下受超导能隙的调制。
• LEF的能量与Tc成正比，与实验观测一致。
• 由于能隙诱导的散射率修改，LEF的强度在Tc以下显著增强。
• 所提出的机制无需引入新的集体模式或配对涨落，即可对LEF提供定量解释。
• 该框架使从ARPES数据中提取促进超导性的涨落谱成为可能。