铜氧化物高温超导体电子态物理性质的研究

At the temperature above Tc, the electron in conventional superconductors is in the Fermi-liquid state, which is generally referred to as a normal-state. However, the normal-state of cuprate superconductors is not normal at all, since the normal-state exhibits a number of the anomalous properties in the sense that they do not fit in with the Fermi liquid theory. In particular, one of the most striking dilemmas is that the superconducting coherence of the low-energy quasiparticle excitations in cuprate superconductors is described by the BCS formalism, although the normal-state is undoubtedly not the Fermi-liquid on which the conventional electron-phonon theory is based. Moreover, the underlying electron Fermi surface satisfies Luttinger's theorem. After intensive investigations over more than two decades, a large body of data available from a wide variety of measurement techniques have introduced important constraints on the microscopic model and SC theory. Within the kinetic-energy driven superconducting mechanism, a full charge-spin recombination scheme is developed, and then is employed to study the electronic structure of cuprate superconductors and the related electronic properties.

当温度大于Tc，普通的低温超导体的正常态是费密液体。然而铜氧化物高温超导体的正常态显示一系列与费密液体行为不相符的反常特性。尽管正常态显示一系列反常物理性质，但是令人进退两难的是铜氧化物高温超导体的超导态的物理性质却不反常，而且也是可以由标准的BCS-形式论来描述，虽然形成库伯对的超导机理不是普通的电-声子机制。特别是实验上也指出铜氧化物高温超导体中的电子费密面服从Luttinger定理。我们在动能驱动的超导电性机理基础上建立了一个电荷自由度与自旋自由度完全重新组合的理论，并在此基础上获得的电子费密面满足Luttinger定理。我们也说明了在超导态时的低能激发可以由BCS-形式论来描述，虽然配对机制是通过动能通过交换自旋元激发而产生相互吸引作用。在这个理框架下，我们研究铜氧化物高温超导体的电子态及相关的物理性质，从而为铜氧化物高温超导体中出现的这些物理现象提供一个整体的微观物理说明。

铜氧化物高温超导体是凝聚态物理学至今为止研究的最为复杂的系统之一，这里除了特别高的超导转变温度之外，还存在反常的赝能隙现象。特别是大量的实验结果已经说明赝能隙现象的主要特征就是在赝能隙区域内存在着各种各样的竞争有序电子态，而这也正是为什么铜氧化物高温超导体在赝能隙区域显示一系列反常电子态性质。在动能驱动的高温超导电性机理以及在此基础上建立的电荷自由度与自旋自由度完全重新组合的理论框架下，我们研究了铜氧化物高温超导体中赝能隙导致的反常费密口袋、复杂的电子谱性质、超导序和电荷序的竞争与共存、准粒子的自关联以及与准粒子相互干涉的内在关联、随动量和掺杂浓度变化的耦合强度等一系列反常的电子态性质，所获得的理论结果均与实验观测符合得很好，从而统一说明了铜氧化物超导体中一系列与赝能隙有关的反常电子态物理性质。