[论文解读] Translation Invariant Bipolarons and Charge Density Waves in High-Temperature Superconductors

В.Д. Лахно|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 26被引用 5

一句话总结

该论文提出，高温超导体中的电荷密度波（CDW）源于赝能隙相中由Kohn异常引起的声子模式软化所驱动的规范不变（TI）双极化子。TI双极化子在Tc以下形成玻色-爱因斯坦凝聚，从而导致超导性；而CDW序与超导性共存，但在绝对零度时消失，因为所有双极化子均凝聚为一个相干量子态。

ABSTRACT

A correlation is established between the theories of superconductivity based on the concept of charge density waves (CDW) and the translation invariant (TI) bipolaron theory. It is shown that CDW are originated from TI-bipolaron states in the pseudogap phase due to Kohn anomaly and form a pair density wave (PDW) for wave vectors corresponding to nesting. Emerging in the pseudogap phase, CDW coexist with superconductivity at temperatures below that of superconducting transition while their wave amplitudes decrease as a Bose condensate is formed from TI-bipolarons, vanishing at zero temperature.

研究动机与目标

• 建立TI双极化子理论与高温超导体中电荷密度波（CDW）现象之间的理论关联。
• 阐明CDW在赝能隙相中的起源，即源于在Kohn异常条件下形成的TI双极化子态。
• 阐明CDW与超导性之间的共存与竞争关系，特别是CDW在绝对零度时的演化行为。
• 通过识别TI双极化子框架下的𝒫𝐶𝐷𝑊 = 𝒫𝑃𝐷𝑊，统一CDW与密度波配对（PDW）的描述。

提出的方法

• 使用重整化声子频率的Fröhlich哈密顿量，模拟TI双极化子中的电子-声子耦合。
• 应用方程（1）推导运动TI双极化子的能谱，整合动量依赖的声子重整化效应。
• 引入Kohn异常条件 𝜔0(𝒫𝐶𝐷𝑊) = 0，以解释声子软化及增强的电子-声子耦合。
• 通过方程（6）推导TI双极化子的有效质量，表明相关效应导致质量增强。
• 利用能谱（8）表明，当 𝒫 = 𝒫𝐶𝐷𝑊 时能量最小，证实CDW的形成。
• 应用TI双极化子的玻色-爱因斯坦凝聚来解释超导转变及T=0时CDW的抑制。

实验结果

研究问题

• RQ1 CDW序参数如何从赝能隙相中的TI双极化子态中产生？
• RQ2 Kohn异常在通过声子软化驱动CDW形成中起什么作用？
• RQ3 TI双极化子的玻色凝聚如何影响CDW序的稳定性和振幅？
• RQ4 为何CDW序在与超导性共存的同时，却在绝对零度时消失？
• RQ5 在TI双极化子框架下，CDW与PDW波矢之间存在何种关系？

主要发现

• 高温超导体中的CDW源于TI双极化子态，由Kohn异常驱动，CDW波矢 𝒫𝐶𝐷𝑊 对应该类的嵌套向量。
• 在 𝒫𝐶𝐷𝑊 处声子软化导致电子-声子耦合发散（𝛼→∞），使CDW几乎无法移动且能量上占优。
• TI双极化子态的能量在 𝒫 = 𝒫𝐶𝐷𝑊 处呈现δ形最小值，证实CDW为基态。
• CDW在Tc以下与超导性共存，但在T=0时消失，因所有TI双极化子均凝聚为单一玻色-爱因斯坦态。
• 条件 𝒫𝐶𝐷𝑊 = 𝒫𝑃𝐷𝑊 统一了CDW与PDW的描述，消除了理论中的一项关键区别。
• 该模型解释了铜氧化物中节点方向无能隙的实验现象，其直接原因即为声子频率消失（𝜔0 = 0），与TI双极化子理论一致。