[论文解读] Nonmonotonic d_{x^2-y^2} Superconducting Order Parameter in Nd_{2-x}Ce_xCuO_4

G. Blumberg, A. Koitzsch+5 more|PubMed|Jan 29, 2002

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 3

一句话总结

本研究利用低能量极化电子拉曼散射，揭示了电子掺杂的Nd$_{2-x}$Ce$_x$CuO$_4$（NCCO，$x=0.15$，$T_c=22$ K）中非单调的 $d_{x^2-y^2}$ 超导序参量。在自旋密度波反铁磁布里渊区交界处（即反铁磁热斑区域），能隙达到最大值 $4.4k_BT_c$，而在布里渊区边界处则下降至 $3.3k_BT_c$，表明其与反铁磁涨落强耦合，并暗示电子掺杂与空穴掺杂铜氧化物中高温超导的共同起源。

ABSTRACT

Low energy polarized electronic Raman scattering of the electron-doped superconductor Nd2-x Ce x CuO4 ( x = 0.15, T(c) = 22 K) has revealed a nonmonotonic d(x(2)-y(2)) superconducting order parameter. It has a maximum gap of 4.4k(B)T(c) at Fermi surface intersections with an antiferromagnetic Brillouin zone (the "hot spots") and a smaller gap of 3.3k(B)T(c) at fermionic Brillouin zone boundaries. The gap enhancement in the vicinity of the hot spots emphasizes the role of antiferromagnetic fluctuations and the similarity in the origin of superconductivity for electron- and hole-doped cuprates.

研究动机与目标

• 确定电子掺杂Nd$_{2-x}$Ce$_x$CuO$_4$中超导序参量的对称性及其动量依赖性。
• 通过直接探测能隙结构，解决电子掺杂铜氧化物中超导态是否为s波或d波的长期争议。
• 通过分析能隙各向异性与热斑区域的关系，研究反铁磁涨落在超导配对中的作用。
• 比较电子掺杂NCCO与空穴掺杂铜氧化物中超导配对机制的异同，尤其关注能隙大小与空间变化特征。

提出的方法

• 在5至35 K温度范围内，对Nd$_{2-x}$Ce$_x$CuO$_4$（$x=0.15$）单晶样品进行低能量极化电子拉曼散射测量。
• 采用背散射几何结构，使用线性偏振Kr+激光激发（1.9–2.6 eV），并校正光谱仪响应函数与光学性质。
• 选择不同散射几何（$xy$，$x'y'$，$xx$）以探测不同不可约表示（$B_{2g}+A_{2g}$，$B_{1g}+A_{2g}$，$A_{1g}+B_{1g}$），并分离出具有 $d_{x^2-y^2}$ 对称性的响应。
• 在1.9至2.6 eV的光子能量范围内测量共振拉曼激发谱，以识别散射过程中的中间态。
• 通过分析$B_{1g}$与$B_{2g}$通道中$2\Delta$峰的强度与位置，推断超导能隙的动量依赖性。
• 将实验拉曼谱与单调$\sin(2\phi)$及非单调$d_{x^2-y^2}$能隙函数的理论模型进行比较，并结合光学电导率数据，识别共振电子跃迁过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 电子掺杂Nd$_{2-x}$Ce$_x$CuO$_4$中超导序参量在动量空间中的依赖关系如何？
• RQ2 NCCO中的超导能隙是否表现出非单调变化，其最大值是否出现在费米面与反铁磁布里渊区交界处（如热斑区域）？
• RQ3 反铁磁涨落在电子掺杂铜氧化物中如何影响配对对称性与能隙结构？
• RQ4 电子掺杂NCCO中的超导配对机制是否与空穴掺杂铜氧化物相似，特别是在能隙对称性与热斑区域增强方面？
• RQ5 电子间跃迁在共振拉曼散射过程中的作用是什么？它们如何影响观测到的能隙各向异性？

主要发现

• Nd$_{2-x}$Ce$_x$CuO$_4$中超导序参量表现出非单调的 $d_{x^2-y^2}$ 对称性，其能隙最大值出现在费米面与反铁磁布里渊区交界处（即热斑区域），而非布里渊区边界。
• 在热斑区域，最大超导能隙达到 $4.4k_BT_c$，显著高于布里渊区边界处的 $3.3k_BT_c$ 值。
• 能隙在温度低于$T_c$后迅速打开，并快速达到最大值，表明体系为强耦合系统，接近强耦合极限。
• 共振拉曼散射在激发能量$\omega_L \approx 1.9$ eV时，$B_{2g}$通道出现显著增强，表明拉曼过程的中间态与动量空间中$(\pi/2, \pi/2)$点附近的电荷转移跃迁共振。
• $B_{2g}$通道中的共振增强远强于$B_{1g}$通道，表明引发共振的间带跃迁与热斑区域的$d_{x^2-y^2}$形式因子具有最强耦合。
• 观测到的能隙各向异性和共振行为与由反铁磁涨落驱动的$d_{x^2-y^2}$配对态一致，暗示尽管电子掺杂与空穴掺杂铜氧化物的正常态性质不同，但其高温超导起源具有共同基础。