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自1986年Bednorz和Mfiller在陶瓷材料La-Ba-Cu-O中发现高达30K的超导转变温度以来,高温超导电性研究已经成为凝聚态物理学研究领域的热点问题之一,而建立超导的微观机制是高温超导电性研究中的核心问题。为了在微观尺度上理解所给材料的超导电性,人们首先需要研究清楚它的电子结构的图像.本文在t-J模型下,应用电荷自由度与自旋自由度相分离的费密子一自旋理论和动能驱动的高温超导电性理论系统地研究了铜氧化物高温超导体的电子结构.
在第一章序言中我们简单介绍了高温超导体的基本性质以及实验和理论的研究现状.在第二章中介绍了二氧化铜平面的电子结构以及可以用来描述该平面内强关联电子系统的t-J模型,以及可以较好地处理t-t模型中电子单占据局域约束条件的电荷自由度与自旋自由度相分离的费密子-自旋理论;并且给出了二维t-t′-J模型在电荷自由度与自旋自由度相分离的费密子-自旋表象下的平均场理论.在第三章中应用电荷自由度与自旋自由度相分离的费密子-自旋理论,我们研究了空穴掺杂和电子掺杂铜氧化物高温超导体在正常态时的电子结构和低能准粒子的行为.电子谱函数 A(k,ω)中的低能峰在所有的动量点上都十分明显,随动量的改变峰的位置也发生改变,产生了随动量的色散,形成能带的带宽的能量尺度由磁相互作用的量级J来控制·在空穴掺杂和电子掺杂铜氧化物中,准粒子色散在[π,0]点附近都存在位于费米能级之下的平坦带.由于空穴-电子不对称性,对空穴掺杂情况能量最低的态位于[π/2,π/2]点,说明[π/2,π/2]点附近的电子态对空穴掺杂铜氧化物的低能性质起主要作用.而在电子掺杂情况中,能量最低的态位于[π,0]点,说明对电子掺杂铜氧化物的低能性质起主要贡献的是[π,0]点附近的电子态.并且无论空穴掺杂还是电子掺杂情况,随着掺杂浓度的增加,准粒子峰的强度也随之增加.我们的结果还表明电子谱和准粒子色散等这些反常行为源于系统中存在的强关联相互作用,而且是电荷-自旋分离的自然结果.在第四章中我们首先完善了准粒子相干对超导电性影响的分析,由于在超导态最低的能量态位于布里渊区的[π,0]点,这样在准粒子相干谱权重Z<,F>(k)和自能∑<,le>中的波矢k选择布里渊区的[π,0]点.然后在动能驱动的高温超导电性理论下,我们研究了铜氧化物高温超导体在超导态时的电子结构和超导准粒子的行为.结果表明:在布里渊区的[π,0]点,准粒子谱权重随温度的增加而降低;随掺杂浓度的增加,谱权重增加,并且超导准粒子峰移向费米能级;而且与正常态中的情况类似,在布里渊区的[π,0]点附近,超导准粒子随动量的色散很弱;准粒子相干谱权重Z<,F>(k)沿布里渊区[0,0]→[π,0]方向上是连续的,在[0,0]→[π,π]方向上存在一个突变,这反应了费米面的结构信息.我们的结果还说明,超导准粒子的相干行为,与超导准粒子和集体磁激发之间的强耦合作用密切相关.第五章是我们的结论及展望.