Электроны представляют собой элементарные частицы с зарядом –e и спином 1/2. В твердых телах огромное количество электронов взаимодействует как с атомными ядрами, так и друг с другом. Основное состояние обычных металлов представляет собой “фермиевское море” электронов, а их низкоэнергетические возбужденные состояния могут быть описаны в терминах квазичастиц Ландау (возбуждений над этим “морем”), заряд и спин которых такие же, как и у “голых” (невзаимодействующих) электронов, а масса (“эффективная масса”) больше. В экспериментах по фотоэмиссии с угловым разрешением (ARPES) кулоновские межэлектронные корреляции проявляются как уменьшение высоты узкого когерентного пика спектральной функции A(k,w) на поверхности Ферми из-за переноса части спектрального веса в широкие некогерентные максимумы A(k,w), (рис. 1a, b), так что удельный вес Z квазичастичного пика становится меньше единицы. Но при этом все же Z¹0, то есть квазичастицы Ландау сохраняются.
Рис.1. Спектральная функция A(k,w) в ферми-газе (a), ферми-жидкости (b) и (предположительно) “нормальном” состоянии ВТСП без квазичастиц (c). 1-Z – удельный вклад некогерентного фона в полный спектральный вес; Z = 1 (a), 0< Z < 1 (b), Z ≈ 0 (c).
Необычные свойства “нормального” (при T>Tc) состояния ВТСП заставляют усомниться в применимости к нему концепции квазичастиц, то есть фактически – в его “нормальности”. Два года назад P.W.Anderson даже высказал предположение [1], что все электронные возбуждения в ВТСП при T>Tc являются некогерентными, и квазичастицы вообще отсутствуют (рис.1c). Но его теория противоречила данным ARPES, имеющимся в литературе на тот момент. В работе [2], выполненной в Princeton University и University of Colorado при участии того же P.W.Anderson’а, представлены результаты, полученные для оптимально допированного ВТСП Bi2Sr2CaCu2O8+x с Tc » 90 К с использованием недавно разработанной методики измерения ARPES-спектров при лазерном облучении [3,4]. Более низкая энергия фотонов (6 эВ вместо обычных 20 ¸ 50 эВ) позволила существенно увеличить разрешение по импульсу и энергии, ослабить влияние фона и повысить чувствительность к объему образца. Экспериментальные спектры ARPES удалось описать, используя теорию [1] всего с одним подгоночным параметром. Авторы [2] полагают, что их результаты свидетельствуют об отсутствии ферми-жидкости в “нормальном” состоянии ВТСП. Справедливости ради надо отметить, что эксперимент [2] можно объяснить и в рамках обычной теории ферми-жидкости, хотя при этом требуются дополнительные подгоночные параметры. Кроме того, низкая энергия фотонов в ставит [2] под сомнение законность использованных в теоретической работе [1] приближений, поскольку уменьшение кинетической энергии выбитых электронов приводит к усилению эффектов взаимодействия в конечном состоянии. Для уточнения интерпретации данных “лазерной ARPES” [2] требуются дальнейшие исследования, как теоретические, так и экспериментальные.
Рис.2. Действительная часть электронной собственной энергии в Bi2Sr2CaCu2O8+x при различных температурах.
Такая же “лазерная ARPES” была использована и в работе [5], но на этот раз при температурах как выше, так и ниже Tc. По сравнению со стандартной “синхротронной ARPES”, авторам [5] удалось повысить разрешение по импульсу более чем в два раза, а по энергии – более чем на порядок величины. Наградой за это стало обнаружение при T < Tc двух новых особенностей электронной собственной энергии при » 115 мэВ и » 150 мэВ, исчезающих при T > Tc (рис. 2).
В отличие от известной особенности при » 70 мэВ, их нельзя объяснить взаимодействием электронов ни с магнитной резонансной, ни с фононной модой. Полученные в [5] результаты указывают на то, что к сверхпроводимости ВТСП причастны какие-то высокоэнергетические возбуждения, происхождение которых пока не вполне ясно. Наиболее вероятный кандидат – спиновые флуктуации, а там кто его знает…
1. P.W.Anderson, Nature Phys. 2, 626 (2006).
2.P.A.Casey et al., Nature Phys. 4, 210 (2008).
3. J.D.Koralek et al., Phys.Rev.Lett. 96, 017005 (2006).
4. J.D.Koralek et al., Rev.Sci.Instrum. 78, 053905 (2007).
5. W.Zhang et al., Phys.Rev.Lett. 100, 107002 (2008).
