[论文解读] Models of the Pseudogap State in High - Temperature Superconductors

M. V. Sadovskiǐ|ArXiv.org|Aug 23, 2004

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 5被引用 6

一句话总结

本文提出了一种简化的‘热点’模型，用于描述高温超导体中的赝能隙态，将赝能隙涨落视为静态高斯随机场，在费米面特定区域散射电子。通过非微扰地求和所有费曼图，推导出格林函数和顶点部分的递推关系，成功再现了关键实验特征，如能谱密度抑制、态密度异常、光学电导率以及铜氧化物的相图，包括无序对Tc的抑制效应。

ABSTRACT

We present a short review of our basic understanding of the physics of copper - oxide superconductors and formulate the list of "solved" and "unsolved" problems. The main problem remains theoretical description of the properties of the normal state, requiring clarification of the nature of the so called pseudogap state. We review simplified models of the pseudogap state, based on the scenario of strong electron scattering by (pseudogap) fluctuations of "dielectric" (AFM, CDW) short - range order and the concept of "hot" spots (patches) on the Fermi surface. Pseudogap fluctuations are described as appropriate static Gaussian random field scattering electrons. We derive the system of recurrence equations for the one - particle Green's function and vertex parts, taking into account all Feynman diagrams for electron scattering by pseudogap fluctuations. Results of calculations of spectral density, density of states and optical conductivity are presented, demonstrating both pseudogap and localization effects. We analyze the anomalies of superconducting state (both s- and d - wave pairing) forming on the "background" of these pseudogap fluctuations. Microscopic derivation of Ginzburg - Landau expansion allows calculations of critical temperature T_c and other basic characteristics of a superconductor, depending on the parameters of the pseudogap. We also analyze the role of "normal" (nonmagnetic) impurity scattering. It is shown that our simplified model allows semiquantitative modelling of the typical phase diagram of superconducting cuprates.

研究动机与目标

• 开发一种简化但具有预测能力的高温超导体赝能隙态模型，以捕捉关键实验异常现象。
• 解决描述正常态异常行为（特别是赝能隙）这一未解的理论难题。
• 在赝能隙涨落存在的前提下，对吉纳斯堡-朗道展开式和临界温度Tc进行微观推导。
• 分析赝能隙涨落、超导配对（s波和d波）以及杂质散射之间的相互作用。
• 评估该模型在半定量再现铜氧化物相图方面的能力，包括T*和Tc随掺杂浓度的变化。

提出的方法

• 将赝能隙涨落建模为在费米面‘热点’区域散射电子的静态高斯分布随机场。
• 推导出单粒子格林函数和顶点部分的递推方程组，通过微扰方法求和所有费曼图。
• 利用递推关系的‘近乎精确’解，计算能谱密度、态密度和光学电导率。
• 通过从涨落模型导出的相互作用顶点，同时引入d波和s波超导配对通道。
• 引入正常杂质散射以评估其对Tc抑制的影响，并与实验观测进行比较。
• 从涨落模型出发，进行吉纳斯堡-朗道展开的微观推导，以计算Tc及其他热力学性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将赝能隙态建模为在费米面特定区域斑块处散射的静态随机场？
• RQ2 赝能隙涨落在电子能谱密度、态密度和光学电导率方面产生何种影响？
• RQ3 赝能隙涨落的存在如何影响s波和d波超导配对的临界温度Tc？
• RQ4 该模型在多大程度上能半定量地再现实验观测到的铜氧化物相图，包括T*(x)和Tc(x)的掺杂依赖性？
• RQ5 为何在该模型中，尽管热点处存在强散射，d波超导性却对静态无序表现出出人意料的鲁棒性？

主要发现

• 该模型成功再现了费米能级附近谱权重的抑制以及态密度中赝能隙的形成，与角分辨光电子能谱（ARPES）数据一致。
• 光学电导率计算显示，Drude权重减小且中红外峰展宽，与欠掺杂铜氧化物中的实验趋势相符。
• 临界温度Tc随无序而抑制，但抑制程度弱于预期，表明d波配对具有增强的鲁棒性。
• 该模型预测Tc(x)呈现非单调依赖关系，在最佳掺杂附近出现最大值，与观测到的铜氧化物相图一致。
• ‘热点’模型允许在Tc以上形成非均匀超导区域（超导液滴），可能解释预配对态和低能赝能隙特征。
• 从涨落模型出发的吉纳斯堡-朗道展开的微观推导，使得能够定量计算Tc随赝能隙参数的变化。