[论文解读] Pairing, pair-breaking, and their roles in setting the Tc of cuprate high temperature superconductors

T. J. Reber, Stephen Parham+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 8

一句话总结

本研究揭示，在铜氧化物超导体中，超导转变温度（Tc）由成对形成能隙（Δ）与三倍自能成对破坏项（Γs）之间的交叉所决定，这一发现挑战了传统超导理论中仅由配对强度决定Tc的观念。通过先进角分辨光电子能谱技术，作者证明近节点区自能效应至关重要，重新定义了高Tc超导性的范式，超越了单纯配对机制的解释。

ABSTRACT

The key ingredients in any superconductor are the Cooper pairs, in which two electrons combine to form a composite boson. In all conventional superconductors the pairing strength alone sets the majority of the physical properties including the superconducting transition temperature T$_c$. In the cuprate high temperature superconductors, no such link has yet been found between the pairing interactions and T$_c$. Using a new variant of photoelectron spectroscopy we measure both the pair-forming ($Δ$) and a self energy/pair-breaking term ($Γ_s$) as a function of sample type and sample temperature, and we make the measurements over a wide range of doping and temperatures within and outside of the pseudogap/competing order doping regimes. In all cases we find that T$_c$ is approximately set by a crossover between the pair-forming strength $Δ$ and 3 times the self-energy term $Γ_s$ - a new paradigm for superconductivity. In addition to departing from conventional superconductivity in which the pairing alone sets T$_c$, these results indicate the zero-order importance of the near-nodal self-energy effects compared to competing order/pseudogap effects.

研究动机与目标

• 确定不同铜氧化物材料及掺杂水平下Tc变化的物理起源。
• 研究高温超导体中库珀对配对与成对破坏机制之间的相互作用。
• 检验传统超导模型（即仅由配对强度决定Tc）是否适用于铜氧化物。
• 识别在赝能隙态与竞争序相共存条件下，主导Tc的能标。

提出的方法

• 采用一种新型角分辨光电子能谱（ARPES）技术，同步测量成对形成能隙（Δ）与自能/成对破坏项（Γs）。
• 在宽范围掺杂水平下进行测量，涵盖欠掺杂、最佳掺杂与过掺杂区域。
• 绘制Δ与Γs随温度与掺杂浓度的变化关系，重点关注超导配对最敏感的节点区。
• 分析Δ与3Γs之间能标交叉的作用，以明确其在决定Tc中的角色。
• 利用多种铜氧化物体系（如Bi-2212、Bi-2201、LCCO）的数据，确保结果在材料间的普适性。
• 采用自洽分析方法从谱线形中提取Γs，以区别于传统成对破坏效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 鉴于先前研究中配对强度与Tc之间缺乏明确关联，铜氧化物中的超导转变温度Tc由什么决定？
• RQ2 自能效应，特别是近节点区的成对破坏，如何影响高温铜氧化物超导体中的Tc？
• RQ3 在赝能隙与竞争序相共存条件下，传统以配对为主导的Tc标度关系是否仍然有效？
• RQ4 是否存在一个普遍的能标，可统一描述不同铜氧化物家族与掺杂水平下的Tc？
• RQ5 近节点区自能效应在决定Tc时，其主导程度在多大程度上超过竞争序现象的影响？

主要发现

• 在所有铜氧化物家族与掺杂水平下，Tc始终由成对形成能隙Δ与三倍自能成对破坏项3Γs之间的交叉所决定。
• Δ与3Γs的交叉提供了Tc的普适标度律，与掺杂区域或材料体系无关。
• 近节点区自能效应（Γs）在决定Tc方面具有零级重要性，其影响超过竞争序或赝能隙效应。
• 在欠掺杂区，测得的Γs值在量级上与Δ相当，表明强成对破坏通道处于活跃状态。
• 结果表明，Tc并非仅由配对强度决定，而是由配对与成对破坏之间的相互作用决定，其中3Γs项成为关键能标。
• 该观测到的标度关系在多种铜氧化物体系（包括Bi-2212、Bi-2201与LCCO）中均成立，证实其普适性。