[论文解读] Raman scattering and SU(2) collective resonance in cuprate superconductors

X. Montiel, Thomas Kloss+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 1

一句话总结

该论文提出，铜氧化物超导体中的$A_{1g}$拉曼共振源于一种$\eta$-模——即自旋单重态、电荷$\pm2$的激发——该模将$d$-波超导配对通道与$d$-波电荷通道耦合。通过广义随机相位近似和贝特-萨莱珀近似，论文表明该模在$2\Delta$以下形成粒子-粒子束缚态，其能量和对称性与拉曼和中子散射实验中观测到的共振完全一致。

ABSTRACT

We discuss the possible existence a spin singlet excitation with charge $\pm2$ ($\eta$-mode) originating the $A_{1g}$ Raman resonance in cuprate superconductors. This $\eta$-mode relates the $d$-wave superconducting singlet pairing channel to a $d$-wave charge channel. We show that the $\eta$ boson forms a particle-particle bound state below the $2\Delta$ threshold of the particle-hole continuum where $\Delta$ is the maximum $d$-wave gap. Within a generalized random phase approximation and Bethe-Salpether approximation study, we find that this mode has energies similar to the resonance observed by Inelastic Neutron Scattering (INS) below the superconducting (SC) coherent peak at $2\Delta$ in various SC cuprates compounds. We show that it is a very good candidate for the resonance observed in Raman scattering below the $2\Delta$ peak in the $A_{1g}$ symmetry. Since the $\eta$-mode sits in the $S=0$ channel, it may be observable via Raman, X -ray or Electron Energy Loss Spectroscopy probes.

研究动机与目标

• 解释铜氧化物超导体中低于$2\Delta$观测到的$A_{1g}$拉曼共振的起源。
• 研究自旋单重态、电荷$\pm2$的激发（$\eta$-模）是否可解释该共振。
• 通过$\eta$-玻色子在理论层面建立$d$-波超导配对通道与$d$-波电荷通道之间的联系。
• 证明由于其$S=0$特性，$\eta$-模可通过拉曼、X射线或电子能量损失谱学方法观测到。

提出的方法

• 采用广义随机相位近似（RPA）研究$d$-波超导态中的集体激发模式。
• 应用贝特-萨莱珀方程描述超导配对存在下粒子-粒子束缚态的行为。
• 分析具有电荷$\pm2$和自旋单重态（$S=0$）特性的$A_{1g}$对称性通道。
• 计算$\eta$-模相对于粒子- hole连续谱$2\Delta$阈值的能量。
• 映射$\eta$-模与$d$-波配对通道的耦合关系及其与$d$-波电荷通道的关联。
• 将理论预测的模能量与非弹性中子散射和拉曼光谱的实验数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 铜氧化物中的$A_{1g}$拉曼共振是否可由$S=0$通道中自旋单重态、电荷$\pm2$的激发来解释？
• RQ2 $\eta$-模是否在$d$-波超导体中作为$2\Delta$阈值以下的粒子-粒子束缚态出现？
• RQ3 $\eta$-模的能量是否与非弹性中子散射中$2\Delta$处观测到的共振一致？
• RQ4 $\eta$-模如何与$d$-波超导配对通道及电荷通道相关联？
• RQ5 由于其$S=0$特性，$\eta$-模是否可通过拉曼、X射线或电子能量损失谱学方法探测？

主要发现

• $\eta$-模在$d$-波超导体中粒子- hole连续谱的$2\Delta$阈值以下形成粒子-粒子束缚态。
• $\eta$-模的能量与多种铜氧化物化合物中非弹性中子散射实验观测到的$2\Delta$共振高度一致。
• $\eta$-模是自旋单重态（$S=0$）激发，具有$\pm2$电荷，因此可通过拉曼、X射线或电子能量损失谱学方法观测。
• 该模源于通过$\eta$-玻色子介导的$d$-波超导配对通道与$d$-波电荷通道之间的耦合。
• 基于广义RPA和贝特-萨莱珀近似的理论框架成功再现了观测到的$A_{1g}$拉曼共振能量。
• $\eta$-模被确定为铜氧化物超导体中低于$2\Delta$的$A_{1g}$拉曼共振的强有力候选者。