[论文解读] Polaron-bipolaron superconductivity and the intrinsic pairing symmetry in cuprate superconductors

Guo‐meng Zhao|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 3

一句话总结

该论文提出，极化子-双极化子配对机制，由高度可极化晶格中的电子-声子耦合驱动，可解释铜氧化物中的高温超导现象。研究表明，该模型能定量再现隧道谱和角分辨光电子能谱（ARPES）数据：在轻掺杂铜氧化物中，由于异常动能过程导致超导能隙对称性为d波；而在重掺杂铜氧化物中，表现出具有八个节点的扩展s波对称性，与BCS行为及晶格间双极化子的玻色-爱因斯坦凝聚一致。

ABSTRACT

We have calculated the tunneling conductance of a superconductor-insulator-superconductor junction based on the polaron-bipolaron theory of superconductivity. The predicted incoherent hump features are in quantitative agreement with tunneling spectra of optimally doped Bi2Sr2CaCu2O8+y and Bi2Sr2Ca2Cu3O10+y. We further show that angle-resolved photoemission spectra of underdoped cuprates are consistent with the Bose-Einstein condensation of inter-site bipolarons and that the superconducting gap symmetry is d-wave, which is determined by the anomalous kinetic process rather than by the pairing interaction. In the overdoped cuprates (BCS-like superconductors), the superconducting gap symmetry is the same as the pairing symmetry, which is found to be extended s-wave with eight line nodes in hole-doped cuprates and nodeless s-wave in electron-doped cuprates. The polaronic effect significantly enhances the density of states at the Fermi level and the effective electron-phonon coupling constant for low-energy phonon modes, which is the key to the understanding of high-temperature superconductivity.

研究动机与目标

• 将极化子-双极化子超导理论与铜氧化物中的实验数据（特别是隧道谱和ARPES谱）相协调。
• 解决双极化子理论与重掺杂铜氧化物中观测到的大费米面之间的矛盾。
• 通过区分超导能隙对称性与配对相互作用对称性，确定铜氧化物中内在的配对对称性。
• 证明极化子效应可增强态密度与有效电子-声子耦合，从而实现高温超导。
• 通过表明实验数据（包括场独立的电子-玻色子耦合）与磁性配对预测相矛盾，挑战磁性配对机制的主导地位。

提出的方法

• 使用包含声子模式与耦合强度的复积分，数值计算SIS隧道结电导。
• 采用表达式 $ dI/dV \propto \left| \int_0^\infty dt \exp[2g^2 e^{-(\delta\Omega)t} \cos(\Omega t) - \Gamma t] \cos[2g^2 e^{-(\delta\Omega)t} \sin(\Omega t) - (e|V| - 2\Delta)t] \right| $ 建模隧道谱。
• 分析角分辨光电子能谱（ARPES），提取能隙结构并识别超导能隙的对称性。
• 将模拟隧道谱与Bi-2212、Bi-2223和BSCCO的实验数据进行比较，调整参数如 $ g^2 $、$ \Omega $、$ \Gamma $ 和 $ \Delta $。
• 应用具有通用库仑和弗罗因德利希电子-声子相互作用的多极化子模型，在 $ \epsilon_0 $ 较大时退化为短程 $ t-J_p $ 模型。
• 使用对称化能谱分布曲线（EDCs）沿对角方向提取能隙值，并确定能隙节点结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 极化子-双极化子理论能否定量再现最佳掺杂铜氧化物SIS隧道谱中观测到的非相干驼峰特征？
• RQ2 轻掺杂铜氧化物中超导能隙的内在配对对称性是什么？它是由配对相互作用决定，还是由异常动能过程决定？
• RQ3 重掺杂铜氧化物中超导能隙对称性与轻掺杂体系有何不同？这对配对机制有何启示？
• RQ4 为何ARPES与中子散射数据与基于 $ t-J $ 模型的磁性配对机制相矛盾？极化子-双极化子模型如何解决这一矛盾？
• RQ5 极化子效应在多大程度上增强了态密度与有效电子-声子耦合，从而实现高温超导？

主要发现

• 计算得到的SIS隧道电导显示出与最佳掺杂Bi-2212和Bi-2223实验谱定量吻合的非相干驼峰特征。
• 在 $ E_{pk} + \Omega $ 和 $ E_{pk} + 2\Omega $ 处出现双驼峰，且在低 $ g^2 $ 时以 $ E_{pk} + \Omega $ 为主导，高 $ g^2 $ 时则转向 $ E_{pk} + 2\Omega $，与实验观测一致。
• 轻掺杂铜氧化物的ARPES数据显示出 $ d $-波超导能隙对称性，且能隙由异常动能过程控制，而非配对相互作用。
• 在重掺杂铜氧化物中，超导能隙对称性为具有八个节点的扩展 $ s $-波（空穴掺杂体系），或无节点的 $ s $-波（电子掺杂体系），与BCS行为一致。
• 在轻掺杂铜氧化物的反节点区域，总能隙 $ \Delta = \sqrt{\Delta_p^2 + \Delta_c^2} $ 大于赝能隙 $ \Delta_p $，证实了超导能隙的主导作用。
• 重掺杂铜氧化物中识别出的扩展 $ s $-波对称性（具有八个节点）排除了 $ d $-波磁性配对机制，并对配对相互作用施加了约束。