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高温超导电性是当前凝聚态物理学中最富挑战性的课题之一。铜氧化物高温超导材料在实际应用中具有非常广阔的前景,同时在此材料中发现了许多奇异的物理性质,因此引起了众多凝聚态物理学家的兴趣,并对其进行了大量的理论和实验研究。由于绝大多数实验技术不能直接探测到超导电子对的性质,因此在高温超导电性的实验探索中,被研究的最广泛最深入的就是高温超导材料的准粒子性质。另一方面,对高温超导体准粒子性质的研究,在很大程度上也有助于提高人们对高温超导机理的理解。本文从t-J模型和电荷自由度与自旋自由度相分离的费米子-自旋理论出发,系统地研究了高温超导体中超导准粒子的物理性质,包括由这些超导准粒子引致的微波电导、准粒子谱函数、局域态密度等等。以此为基础,我们对高温超导体的微波电导、角分辨光电子谱、电子隧道谱等实验结果做出了理论解释。
本文的第一章首先简要介绍了铜氧化物高温超导材料的研究背景、实验进展、以及已经获得的理论共识。其中,我们着重介绍了关于超导体准粒子物理性质的实验研究的进展。
在第二章中,我们介绍了能描述铜氧化物高温超导体低能物理过程的t-J模型,并引入了能很好的处理t-J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米子-自旋理论。为了应用t-J模型和电荷自由度与自旋自由度相分离的费米子-自旋理论来研究高温超导体的超导准粒子性质,我们计算了在超导态的电子格林函数。
在第三章中,我们研究了铜氧化物高温超导体中由超导准粒子引致的微波电导性质。为了研究扩展的杂质所造成的超导准粒子的散射效应,我们利用T矩阵自洽的方法计算了杂质散射所导致的自能。在考虑了顶角修正以后,我们系统的计算了微波电导随着温度、能量、掺杂的变化。计算结果表明:微波电导在低能区域有一个尖瓣型的峰；在低温时,微波电导随着温度的上升而线性上升,在一定温度时达到峰值,然后随着温度的上升而下降；与能隙随掺杂变化的形式相反,微波电导在最佳掺杂处最小,在过掺杂和欠掺杂两端均上升。在此基础上,我们进一步考虑了ortho-Ⅱ YBa2Cu3O6.50材料中的CuO链的散射效应,结果表明在此情况下微波电导具有面内的各向异性。我们的结果很好的解释了实验上观测到的各向异性现象。
在第四章中,我们研究了面外杂质对铜氧化物高温超导体的电子谱函数及能隙函数的影响,在考虑面外杂质所引致的非对角散射势后,我们对电子谱函数进行了计算。计算结果表明:在节点区域,能隙随着杂质浓度的增加基本不变,而在反节点区域,能隙随着杂质浓度的增加而增大。这个结果说明,在实验中发现的能隙函数相对于纯粹d-波形式的偏离很可能是外禀的杂质效应。我们的计算结果与最近的杂质浓度可控的铜氧化物超导体的实验结果符合得很好。
在第五章中,我们研究了铜氧化物高温超导体的局域态密度性质。在考虑了由单个杂质所引致的局域态密度的调制以后,我们对此局域态密度调制进行傅里叶变换,进而获得了傅里叶变换的局域态密度调制。我们考虑了节点区域和反节点区域的准粒子具有不同的散射率,并将此效应归入电子自能函数中。我们的计算结果表明,准粒子散射相干峰的强度在低能时随着能量的增加而增加,在中能时达到最高,然后随着能量的进一步增加而减小,最终在相当的高能时消失。
最后在第六章中我们给出总结和展望。