[论文解读] Spin correlations in the algebraic spin liquid - implications for high Tc superconductors

Walter Rantner, Xiao-Gang Wen|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2002

Advanced Condensed Matter Physics被引用 7

一句话总结

该论文提出，在高温下，欠掺杂的高温超导体由一种代数自旋液体（ASL）描述，而在低温下则过渡到自旋-电荷再组合态。通过使用无质量狄拉克费米子的U(1)规范理论，作者表明即使存在较大的单粒子赝隙，规范相互作用也能显著增强交替自旋关联，从而在无需微调参数的情况下解释欠掺杂铜氧化物中的关键异常特征。

ABSTRACT

We propose that underdoped high $T_c$ superconductors are described by an algebraic spin liquid (ASL) at high energies, which undergoes a spin-charge recombination transition at low energies. The spin correlation in the ASL is calculated via its effective theory - a system of massless Dirac fermions coupled to a U(1) gauge field. We find that without fine tuning any parameters the gauge interaction strongly enhances the staggered spin correlation even in the presence of a large single particle pseudo-gap. This allows us to show that the ASL plus spin-charge recombination picture can explain many highly unusual properties of underdoped high $T_c$ superconductors.

研究动机与目标

• 解释欠掺杂高温超导体中不寻常的自旋关联，特别是短程反铁磁序与自旋单态形成的共存现象。
• 研究是否存在一种具有涌现U(1)规范场的代数自旋液体（ASL）相，能够解释观测到的自旋赝隙和增强的交替自旋关联。
• 确定ASL模型是否能在不需微调参数的情况下重现欠掺杂铜氧化物的物理行为。
• 探讨规范相互作用在存在较大单粒子赝隙的情况下如何增强自旋关联。

提出的方法

• 有效场论使用与U(1)规范场耦合的无质量狄拉克费米子来模拟代数自旋液体相。
• 通过自旋算符在动量和频率空间中的滞后格林函数计算自旋关联函数。
• 计算涉及布里渊区内四个费米点（节点）的求和，并在Q_AF = (π, π)附近进行动量展开。
• 采用解析延拓和费曼参数化方法评估自旋关联函数，得到包含阶跃函数和平方根的闭式表达式。
• 通过综合所有四个节点的贡献，推导出自旋结构因子，得到动量和频率依赖的表达式。
• 通过自能位移（a₀³）引入赝隙，并通过η(𝐤)项包含d波配对。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有U(1)规范结构的代数自旋液体相是否能解释欠掺杂铜氧化物中观测到的增强交替自旋关联？
• RQ2 在ASL模型中，规范相互作用在存在较大单粒子赝隙的情况下如何影响自旋关联？
• RQ3 ASL加自旋-电荷再组合图像是否能自然地解释自旋赝隙和异常自旋动力学而无需微调？
• RQ4 ASL相中自旋结构因子的动量和频率依赖性如何？
• RQ5 包含d波配对和规范涨落如何改变自旋激发谱？

主要发现

• 在ASL相中，规范相互作用即使在存在较大单粒子赝隙的情况下，也能显著增强交替自旋关联。
• 自旋结构因子在动量空间中呈现四节点形式，每个节点在自旋激发连续谱的下边缘表现出平方根奇异性。
• 所得自旋关联函数由四项之和给出，每项均包含阶跃函数和平方根，沿(1,1)和(1,-1)方向具有动量依赖性。
• 自旋关联函数的表达式包含( v_f k₁ ± 2a₀³ )²和v₂² k₂²项，显示出各向异性的色散关系，并因规范场耦合而产生位移。
• 该模型预测的自旋激发谱具有依赖于相对于费米面方向的下限，与中子散射数据一致。
• 参数中无需微调（例如，J(Q)χ₀(Q,0) ≈ 0.97）是该模型相较于以往唯象模型的关键优势。