杂质对于d波超导体准粒子和自旋动力学性质的影响

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本文基于自洽t矩阵理论、弱耦合无规相近似(RPA)以及隶玻色子(slave-boson)技巧,研究了杂质对于d波超导体中准粒子和自旋动力学特性的影响。   超导实验科学的研究结果表明:(1)高温超导材料的准粒子谱线中存在峰-低谷-隆起(peak-dip-hump,PDH)结构;(2)高温超导体准粒子色散曲线中存在扭结(kink)结构;(3)非弹性中子散射实验中,高温超导体自旋极化率在41meV处出现一个自旋共振峰,自旋激发谱呈现出沙漏状(hourglass)的色散关系;(4)高温超导体自旋涨落的非公度的大小和掺杂浓度的关系可以用Yamada关系来描述,即在欠掺杂区,非公度大小和掺杂浓度成正比。另外,近年来的几个研究高温超导体中杂质效应的实验还表明:(1)超导系统在加入非磁性杂质之后,其在布里渊区反节点附近区域(antinodal region)准粒子色散曲线中的扭结结构强度减弱,直至最终消失。而在节点附近区域(nodal region),没有出现扭结结构,杂质对于色散曲线几乎没有影响。加入杂质后,成键带(bonding band)准粒子谱线的PDH结构也逐渐被抹去,而反成键带(antibonding band)受到的影响却很小。(2)超导材料在加入杂质之后,非公度自旋涨落的强度增强,并且其非公度性变弱。杂质的引入导致自旋极化率曲线在自旋隙以内出现反常的隆起。   基于以上的实验结果,我们首先研究了非磁性杂质对于d波双层高温超导体中准粒子色散的影响。我们的研究结果显示:随着杂质的加入,在反节点附近区域准粒子色散曲线中的扭结结构逐渐被减弱,而在节点附近区域,杂质效应几乎没有什么体现。加入杂质以后,准粒子谱线的PDH结构被逐渐抹去,谱线的峰被压低和展宽。这些效应都来源于与准粒子耦合的自旋共振模对于杂质的相应效应,加入杂质以后,自旋共振模被压制、展宽并且被推移到低能区域。我们的理论结果和实验符合得很好,可以成功地解释相关的实验现象,说明磁效应是导致在反节点附近准粒子重整的原因。   我们还研究了非磁性杂质对于d波单层高温超导体中准粒子非公度自旋涨落性质的影响。我们的结果表明:对于不同空穴浓度的超导系统,杂质的效应有明显的不同。在空穴浓度低的系统中,杂质效应比较明显。杂质的引入,使得准粒子非公度峰的峰间距离变小,并增强非公度自旋涨落的强度。基于等能面套叠(nesting)理论和由无规相近似计及的自旋涨落修正,我们解释了相关的计算结果。我们发现等能面套叠效应导致自旋涨落强度的升高,无规相近似计及的自旋涨落修正导致非公度峰的峰间距离减小。我们还考虑了杂质的顶角修正效应,发现其主要影响发生在自旋隙内。在自旋隙内,加入顶角修正之后,杂质会诱导附加的低能激发。因为重整效应太弱,杂质顶角修正只会稍许抬高自旋极化率的线形,而不会对非公度长度造成影响。   我们的研究是基于自洽t矩阵理论和弱耦合无规相近似,我们的研究结果可以很好地解释相关实验的结果。我们的研究结果表明,基于自旋涨落的弱耦合无规相近似正确地把握住了超导系统的一些重要信息,成功地再现了高温超导材料中电子和准粒子相互影响所造成的定性结果。
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