[论文解读] Quantum oscillation signatures of nodal spin-orbit coupling in underdoped bilayer high Tc cuprates

N. Harrison, B. J. Ramshaw+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 37被引用 11

一句话总结

该论文提出，在欠掺杂双层铜氧化物中，弱自旋-轨道耦合诱导了磁破裂过程中的自旋翻转隧穿，解释了量子振荡频率的等距三重态（F₋ ≈ 440 T，F₀ ≈ 530 T，F₊ ≈ 620 T）、c轴与ab平面振幅响应的不对称性，以及在YBa₂Cu₃O₆₊ₓ中观测到的异常小有效g因子。该机制自然解释了尽管层间杂化被对称性保护而趋于消失，节点处双层分裂仍能持续存在的现象。

ABSTRACT

The highest superconducting transition temperatures in the cuprates are achieved in bilayer and trilayer systems, highlighting the importance of intralayer interactions for high Tc. It has been argued that interlayer hybridization vanishes along the nodal directions by way of a specific pattern of orbital overlap. Recent quantum oscillation measurements in bilayer cuprates have provided evidence for a residual bilayer-splitting at the nodes that is sufficiently small to enable magnetic breakdown tunneling at the nodes. Here we show that several key features of the experimental data can be understood in terms weak spin-orbit interactions naturally present in bilayer systems, whose primary effect is to cause the magnetic breakdown to be accompanied by a spin flip. These features can now be understood include the equidistant set of three quantum oscillation frequencies, the asymmetry of the quantum oscillation amplitudes in c-axis transport compared to ab-plane transport, and the anomalous magnetic field angle dependence of the amplitude of side frequencies suggestive of small effective g-factors. We suggest that spin-orbit interactions in bilayer systems can further affect the structure of the nodal quasiparticle spectrum in the superconducting phase.

研究动机与目标

• 解释在欠掺杂YBa₂Cu₃O₆₊ₓ中观测到的等距三重态量子振荡频率（F₋, F₀, F₊）的起源。
• 解决侧频有效g因子异常偏小的问题，其与典型3d过渡金属行为不符。
• 解释量子振荡振幅在c轴与ab平面输运测量之间不对称的原因。
• 理解自旋-轨道相互作用如何在层间杂化理论上被抑制的情况下，仍能沿节点方向诱导具有自旋翻转过程的磁破裂隧穿。

提出的方法

• 使用包含自旋-轨道耦合项的两带紧束缚哈密顿量建模双层分裂的费米面。
• 应用半经典磁破裂理论计算成键态与反键态之间隧穿振幅，包括自旋依赖的相位因子。
• 通过朗道能级的Zeeman分裂计算有效g因子，整合自旋-轨道诱导的自旋翻转跃迁。
• 使用转移矩阵形式化计算量子振荡振幅，其中相位贡献来自旋量波函数与轨道几何结构。
• 模拟在不同磁场取向下振荡振幅的角依赖性，包括自旋-轨道诱导的节点简并性解除。
• 将理论预测的有效g_eff与振幅比值与YBa₂Cu₃O₆₊ₓ的实验数据进行比较，特别是在高角度（θ ≈ 70°）下的结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在欠掺杂YBa₂Cu₃O₆₊ₓ中观测到三个等距间距的量子振荡频率（F₋, F₀, F₊）？
• RQ2 导致侧频有效g因子异常偏小的原因是什么，其与标准3d过渡金属行为不一致？
• RQ3 为何c轴输运中的量子振荡振幅相较于ab平面输运被抑制？
• RQ4 当层间杂化理论上被抑制时，如何能在节点方向发生磁破裂隧穿？
• RQ5 自旋-轨道相互作用在多大程度上改变了节点准粒子谱，并影响组合轨道的结构？

主要发现

• 等距三重态量子振荡频率（F₋ ≈ 440 T，F₀ ≈ 530 T，F₊ ≈ 620 T）源于弱自旋-轨道耦合诱导的具有自旋翻转过程的磁破裂隧穿。
• 侧频的有效g因子异常偏小（g_eff ≈ 0–2），与自旋-轨道诱导的自旋翻转跃迁导致净磁矩响应减弱一致。
• c轴与ab平面输运之间振幅不对称性的原因在于不同磁场取向下自旋旋量重叠与隧穿矩阵元的差异。
• 自旋-轨道耦合在高磁场角度下解除成键态与反键态之间的节点简并性，使q₂增大，从而产生新的轨道，其g_eff ≈ 2，尽管其振幅仍低于主频率的20%。
• mg_eff与成键态与反键态之间有效质量差Δm无关，表明在质量不对称条件下g因子预测具有鲁棒性。
• 数值模拟证实，自旋-轨道诱导的隧穿产生与实验观测一致的频率（F₋, F₀, F₊），验证了该机制作为完整实验数据集的一致性解释。