Иерархия низкоэнергетических моделей электронного строения купратных ВТСП: роль дальних спин-коррелированных перескоков

Abstract

Показано, что для трехзонной p–d-модели Эмери, отражающей реальную структуру CuO₂-плоскости высокотемпературных сверхпроводников, в режиме сильных электронных корреляций можно реализовать последовательность редукций к эффективным моделям, воспроизводящим низкоэнергетические особенности спектра элементарных возбуждений и вскрывающим спин-поляронную природу фермиевских квазичастиц. Первая редукция приводит к спин-фермионной модели, в которой подсистема обменно-связанных спиновых моментов, локализованных на ионах меди, сильно взаимодействует с кислородными дырками. Вторая редукция связана с переходом от спин-фермионной модели к φ–d-обменной модели. Важная особенность такого перехода определяется большой энергией φ–d-обменной связи, приводящей к формированию спиновых поляронов. Использование этого факта позволяет провести третью редукцию, в результате которой возникает t̃ - J̃ * - I -модель. Ее отличительная особенность связана с существенно большей важностью спин-коррелированных перескоков по сравнению с ролью таких процессов в обычной t-J *-модели, выводимой из модели Хаббарда. На основе сравнительного анализа спектра фермиевских возбуждений, рас-считанного для полученных эффективных моделей CuO₂-плоскости высокотемпературных сверхпроводников, установлена важная роль обычно отбрасываемых дальних спин-коррелированных перескоков.

Показано, що для трьохзонної p–d-моделі Емері, що відображає реальну структуру CuO₂-площини високотемпературних надпровідників, у режимі сильних електронних кореляцій можна реалізувати послідовність редукцій до ефективних моделей, відтворюючих низькоенергетичні особливості спектра елементарних збуджень та розкриваючих спін-поляронну природу фермієвських квазічастинок. Перша редукція призводить до спін-ферміонної моделі, в якій підсистема обмінно-пов'язаних спінових моментів, які локалізовані на іонах міді, сильно взаємодіє з кисневими дірками. Друга редукція пов'язана з переходом від спін-ферміонної моделі до φ–d-обмінної моделі. Важлива особливість такого переходу визначається великою енергією φ–d-обмінного зв'язку, що призводить до формування спінових поляронів. Використання цього факту дозволяє провести третю редукцію, в результаті якої виникає t̃ - J̃ * - I - -модель. Ії відмінна особливість пов'язана з істотно більшою важливістю спін-корельованих перескоків в порівнянні з роллю таких процесів у звичайній t-J *-моделі, що виводиться з моделі Хаббарда. На основі порівняльного аналізу спектру фермієвських збуджень, які розраховано для отриманих ефективних моделей CuO₂-площини високотемпературних надпровідників, встановлено важливу роль зазвичай відкиданих далеких спін-корельованих перескоків.

It is shown that for the three-band Emery p–d-model that reflects the real structure of the CuO₂-plane of hightemperature superconductors, in the regime of strong electron correlations it is possible to carry out a sequence of reductions to the effective models reproducing lowenergy features of elementary excitations spectrum and revealing the spin-polaron nature of the Fermi quasiparticles. The first reduction leads to the spin-fermion model in which the subsystem of spin moments, coupled by exchange interaction and localized on copper ions, strongly interacts with oxygen holes. The second reduction is connected with the transformation from the spinfermion model to the φ–d-exchange model. An important feature of this transformation is the large energy of the φ–d-exchange coupling, which leads to the formation of spin polarons. The use of this fact allows us to carry out the third reduction, as a result of which a t̃ - J̃ * - I -model arises. Its distinctive feature is related to the much greater importance of spin-correlated hoppings as compared to the role of such processes in the commonly used t-J * -model derived from the Hubbard model. Based on the comparative analysis of the spectrum of Fermi excitations calculated for the obtained effective models of the CuO₂-plane of hightemperature superconductors, the important role of the usually discarded long-range spin-correlated hoppings is determined.