[论文解读] On the theory of high temperature superconductivity

P. Brovetto, V. Maxia+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2003

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 2被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种铜氧化物及其相关非传统超导体中高温超导性的新机制，其中电子对通过相邻层中动量相等的电子之间的自旋单重态键形成，不同于传统的BCS配对机制。通过采用类似于核配对理论的正则变换，该模型再现了BCS型的能隙与临界温度之间的线性关系，并预测了半满带结构，其费米能级与能带宽度成正比，与铜氧化物及无铜钙钛矿材料的实验观测一致。

ABSTRACT

We deal with a model for high-temperature superconductivity which maintains that in cuprates spin-singlet bonds are formed between electrons running in the neighbouring layers of copper oxide found in lattice of these materials. This model reutilizes the BCS scheme, but with the essential difference that the electron pairs are characterized by equal, rather than opposite, momenta as in Cooper pairs. In the present paper, we consider the electron pair formation and a peculiar canonical transformation analogous to the transformation once applied to the theory of pairing correlations in nuclear matter. It is shown that the quasi-particle energy spectrum remains that of the BCS theory, including the linear relationship between forbidden energy gap and critical temperature. The model is also applied to superconductivity of some copperless perovskites of mixed stoichiometry, whose features are of special worth in understanding the mechanism of the phenomenon. The possibility of enhancing critical temperature in cuprates by inserting monovalent ions into the lattice is considered

研究动机与目标

• 为铜氧化物及非传统超导体（包括无铜钙钛矿）建立统一的高温超导理论框架。
• 解释在具有层状、非均匀晶格和未配对电子的材料中，尽管化学组成各异，为何仍能实现超导性。
• 证明通过等动量、自旋单重态键形成的电子配对可产生类似BCS的能隙与临界温度关系。
• 探讨晶格不连续性和电子掺杂在实现混合化学计量比钙钛矿中超导性中的作用。
• 研究通过在铜氧化物晶格中插入一价离子来提升Tc的潜力。

提出的方法

• 采用一种修改后的BCS框架，其中电子对具有相等而非相反的动量，与标准库珀对机制不同。
• 应用类似于核配对理论中的正则变换，将哈密顿量映射到准粒子表象。
• 推导出准粒子能谱，表明其保持BCS形式，并显示出能隙与Tc之间的线性关系。
• 通过重叠积分和交换积分对CuO2平面上的电子跃迁和库仑相互作用进行建模，得到类似紧束缚的能带结构。
• 通过分析动量空间晶格上的等能线，计算费米能级和态密度，假设为具有最近邻跃迁的正方晶格。
• 使用数值积分确定费米能级以下的态数，得出关系式μΩF = 1.28，该关系与能带宽度无关。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于等动量电子对的配对机制是否能够解释铜氧化物及其相关材料中的高温超导性？
• RQ2 所提出的模型是否再现了实验中观测到的能隙与临界温度之间的线性依赖关系？
• RQ3 电子能带结构，特别是d带填充情况，如何影响这些材料的超导性质？
• RQ4 晶格不连续性和电子掺杂在实现混合化学计量比钙钛矿中超导性方面起什么作用？
• RQ5 根据模型预测，通过在铜氧化物晶格中插入一价离子是否能够提升临界温度？

主要发现

• 该模型再现了能隙与临界温度之间的BCS型线性关系，证实了所提出的配对机制与实验趋势的一致性。
• 费米能级被确定为μ = 0.64B，其中B为能带宽度，表明d带半满，与铜氧化物中的实验观测一致。
• 化学势与费米能级处态密度的乘积满足μΩF = 1.28，该关系为普适常数，与能带宽度或特定矩阵元无关。
• CuO2平面上的电子能带结构为ε(k) = (B/2)[2 - cos(kxσ) - cos(kyσ)]，在半满填充时表现出正方形费米面轮廓。
• 该模型预测，由于电子掺杂和晶格不连续性，无铜钙钛矿材料中可出现超导性，其Tc值可达30 K，与观测结果一致。
• 模型预测，在晶格中插入一价离子可通过调节电子密度并促进有利配对条件，从而提升Tc。