铜氧化物高温超导体条纹相中自旋激发性质的理论研究

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自1986年铜氧化物高温超导体发现以来,人们一直致力于研究高温超导的物理机制。经过了二十几年的努力,铜氧化物高温超导体作为第一种超导转变温度Tc突破麦克米兰极限的高温超导材料,依然存在着让人无法解释的一些物理性质。1988年,A.R.Moodenbaugh小组在研究La2-xBaxCuO4的超导转变温度Tc与掺杂浓度x的关系时发现,在掺杂浓度接近x=0.12时,Tc突然降至5K左右[1]。其后,又有更加细致的工作表明,在掺杂为x=0.125时,Tc甚至会降到接近零。由此,人们提出了条纹相模型,认为掺杂在x=0.125附近,存在静态的自旋序与电荷序压制了超导电性,从而使得超导转变温度接近于零。近期的中子散射实验结果显示,在某些掺杂区域,铜氧化物材料中的自旋激发谱并不只有一个自旋共振峰,而是出现了更为复杂的双峰结构。本文基于条纹相与超导相共存的模型,考虑其中自旋序(电荷序)导致的对准粒子的散射势Vs(Vc),研究了高温超导体条纹相中的自旋激发性质。  本文第一章中,我们首先介绍了铜氧化物高温超导材料发现的历史,其结构与相图,以及本文主要涉及到的中子散射实验和相关的实验结果。在第二章,我们简单介绍了本文计算中用到的一些理论模型和方法。第三章,主要介绍了我们对铜氧化物高温超导体条纹相中自旋激发性质的研究工作:我们基于1/8掺杂下所产生的条纹相模型,利用自洽方法,研究了自旋序导致的散射势Vs和电荷序导致的散射势Vc与超导序参量在实空间调制的关系。结果表明自旋序产生的散射势Vs对序参量调制的产生起了主导作用,并在Vsc≈0.14存在一阈值。在阈值之下,序参量的调制随着Vs的增大而单调递增,在阈值Vsc处存在着一个台阶状上升,此后,超导序参量的调制达到一可观值,依然保持递增趋势。对于电荷序产生的散射势Vc,当自旋序导致的散射势Vs小于阈值Vsc时,序参量的调制随着电荷序Vc的增加而缓慢增加;而当Vs>Vsc时,Vc在一定范围内甚至会压制序参量的调制,随后调制又随着Vc缓慢增加。利用上述结果,基于弱耦合理论与无规相近似(RPA),我们研究了超导序参量对于超导与条纹相共存系统中自旋极化率的影响。通过计算我们发现,在系统中引入一个可观的序参量实空间调制以后,自旋极化率在反铁磁动量QAF和非公度动量QIC处出现了两个峰值。这与中子散射实验中自旋极化率出现的双峰结构相符。当固定自旋序散射势Vs=0.14时,随着电荷序散射势Vc的增加,自旋极化率的双峰结构逐渐消失,而且QAF处的双峰结构消失得比QIC处更加迅速。当电荷序散射势Vc>0.1时,双峰结构彻底消失。这说明了超导序参量在实空间可观的调制是系统自旋激发谱产生双峰结构的原因,当一个可观的序参量调制存在时,系统的序参量在实空间被分成两个值,导致自旋激发谱出现了两个峰值。对于Vc>0.1的情况,虽然调制仍然存在,但是由于其值很小,系统和均匀系统基本上没区别。这些结果表明,超导序参量在实空间的调制对于理解铜氧化物高温超导体条纹相中自旋激发谱起到了重要的作用。
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