Zugl.: Cottbus, Techn. Univ., Diss., 2007

Zugl.: München, Techn. Univ., Diss., 2008

Stuttgart, Univ., Diss., 2008.

Univ., Diss., 2008--Frankfurt (Main).

Universiẗat, Diss., 1998--Konstanz.

University, Diss., 2004--Köln.

In this thesis, a phenomenological phase-fluctuation model for the pseudogap regime of the underdoped cuprates was discussed. The key idea of the phase-fluctuation scenario in the high-T_c superconductors is the notion that the pseudogap observed in a wide variety of experiments arises from phase fluctuations of the superconducting gap. In this scenario, below a mean-field temperature scale T_c^{MF}, a d_{x^2-y^2}-wave gap amplitude is assumed to develop. However, the superconducting transition is suppressed to a considerably lower transition temperature T_c by phase fluctuations. In the intermediate temperature regime between T_c^{MF} and T_c, phase fluctuations of the superconducting order parameter give rise to the pseudogap phenomena. The phenomenological phase-fluctuation model discussed in this thesis consists of a two-dimensional BCS-like Hamiltonian where the phase of the pairing-amplitude is free to fluctuate. The fluctuations of the phase were treated by a Monte Carlo simulation of a classical XY model. First, the density of states was calculated. The quasiparticle tunneling conductance (dI/dV) obtained from our phenomenological phase fluctuation model was able to reproduce characteristic and salient features of recent scanning-tunneling studies of Bi2212 and Bi2201 suggesting that the pseudogap behavior observed in these experiments arises from phase fluctuations of the d_{x^2-y^2}-wave pairing gap. In calculating the single-particle spectral weight, we were further able to show how phase fluctuations influence the experimentally observed quasiparticle spectra in detail. In particular the disappearance of the BCS-Bogoliubov quasiparticle band at T_c and the change from a more V-like superconducting gap to a rather U-like pseudogap above T_c can be explained in a consistent way by assuming that the low-energy pseudogap in the underdoped cuprates is due to phase fluctuations of a local d_{x^2-y^2}-wave pairing gap with fixed magnitude. Furthermore, phase fluctuations can explain why the pseudogap starts closing from the nodal points, whereas it rather fills in along the anti-nodal directions and they can also account for the characteristic temperature dependence of the superconducting (pi,0)-photoemission-peak. Next, we have shown that the "violation" of the low-frequency optical sum rule recently observed in the SC state of underdoped Bi2212, which is associated with a reduction of kinetic energy, can be related to the role of phase fluctuations. The decrease in kinetic energy is due to the sharpening of the quasiparticle peaks close to the superconducting transition at T_c == T_{KT}, where the phase correlation length xi diverges. A detailed analysis of the temperature and frequency dependence of the optical conductivity sigma(omega)=sigma_1(omega)+i sigma_2(omega) revealed a superconducting scaling of sigma_2(omega), which starts already above T_c, exactly as observed in high-frequency microwave conductivity experiments on Bi2212. On the other hand, our model was only able to account for the characteristic peak, which is observed in sigma_1(omega) close to the superconducting transition, after the inclusion of an additional marginal-Fermi-liquid scattering-rate in the optical conductivity formula. Finally, we calculated the static uniform diamagnetic susceptibility. It turned out that the precursor effects of the fluctuating diamagnetism above T_c are very small and limited to temperatures close to T_c in a phase-fluctuation scenario of the pseudogap. Instead, the temperature dependence of the uniform static magnetic susceptibility is dominated by the Pauli spin susceptibility, which displayed a very characteristic temperature dependence, independent of the details of the gap function used in our model. This temperature dependence is qualitatively very similar to the experimentally observed change of the Knight-shift as a function of temperature in underdoped Bi2212. / In der vorliegenden Arbeit wurde ein phänomenologisches Phasenfluktuationsmodell zur Beschreibung der "Pseudolücken"-Phase in den unterdotierten Hochtemperatur-Supraleitern untersucht. Im Gegensatz zu konventionellen metallischen BCS-Supraleitern skaliert in den unterdotierten Kupraten die kritische Temperatur, unterhalb derer Supraleitung einsetzt, nicht mit der Größe der supraleitenden Energielücke Delta, und damit der Stärke der Paaranziehung, sondern mit der superfluiden Dichte rho_s, d. h. der Dichte der supraleitenden Elektronen. Unterdotierte Kuprate liegen im Phasendiagramm sehr nahe am Mott-isolierenden Zustand und haben daher eine relativ geringe Anzahl an beweglichen Ladungsträgern. Dies hat zur Folge, dass bei einer Temperatur T^* = T_c^{MF} zunächst die Paarung der Ladungsträger einsetzt, diese sich aber erst bei einer sehr viel niedrigeren Temperatur T_c = T_{phi} phasenkohärent bewegen und damit supraleitend werden. Dies ist das so genannte Phasenfluktuationsszenario für die Pseudolücke im Energiespektrum der unterdotierten Kuprate. Die Pseudolücke entwickelt sich oberhalb von T_c kontinuierlich aus der supraleitenden Energielücke heraus und wird bis zu einer Temperatur T^* >> T_c in verschiedenen Experimenten beobachtet. Als Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit diente nun ein BCS-artiger Hamiltonoperator mit fester Paarungsamplitude, bei dem jedoch die Phase der lokalen Paare frei fluktuieren konnte. Alle Rechnungen wurden durchgeführt, indem mittels einer Monte Carlo Simulation des klassischen XY-Modells verschiedene Phasenkonfigurationen erzeugt wurden und für jede dieser Phasenkonfigurationen der BCS-artige Hamiltonoperator exakt diagonalisiert wurde. Die erste Anwendung dieses phänomenologischen Phasenfluktuationsmodells bestand in der Berechnung von Einteilchen-Tunnelspektren. Hierbei konnte eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit den Experimenten, insbesondere was die Temperaturentwicklung der supraleitenden Kohärenzpeaks und das charakteristische auffüllen der Pseudolücke mit ansteigenden Temperaturen betrifft, erzielt werden. Durch einen detaillierten Vergleich zwischen Theorie und Experiment konnte gezeigt werden, auf welche Weise Phasenfluktuationen das Quasiteilchenspektrum beeinflussen. Insbesondere das Verschwinden der BCS-Bogoliubov Quasiteilchenbänder oberhalb von T_c und die Veränderung der Energielücke, von einer V-artigen supraleitenden Lücke hin zu einer mehr U-artigen Pseudolücke oberhalb von T_c, konnte in konsistenter Weise durch Phasenfluktuationen des supraleitenden Ordnungsparameters erklärt werden. Darüberhinaus war das Phasenfluktuationsmodell in der Lage zu erklären, warum die Pseudolücke von den Knotenpunkten an der Fermifläche her anfängt sich zu schließen, wohingegen sie an den Anti-Knotenpunkten eher aufgefüllt wird. Auch konnte die charakteristische Temperaturentwicklung des so genannten "supraleitenden" (pi,0)-Photoemissionspeaks sehr gut durch Phasenfluktuationen beschrieben werden. Als nächstes wurden Experimente zur Verletzung der optischen Niederfrequenz-Summenregel in unterdotierten Bi2212-Verbindungen untersucht, welche auf eine Reduktion der kinetischen Energie im supraleitenden Zustand hindeuten. Es konnte gezeigt werden, dass diese Reduktion mit der Rolle von Phasenfluktuationen beim supraleitenden Übergang in Verbindung gebracht werden kann. Die Reduktion der kinetischen Energie erfolgt durch das Entstehen scharfer Quasiteilchenpeaks bei T_c. Dort beginnt die Korrelationslänge der fluktuierenden Phasen zu divergieren, und es stellt sich eine quasi-langreichweitige Ordnung ein. Eine detailliert Analyse der Frequenz und Temperaturabhängigkeit der optischen Leitfähigkeit ergab eine supraleitende Skalierung des Imaginärteils der optischen Leitfähigkeit schon oberhalb von T_c, genau wie in Mikrowellen-Hochfrequenzleitfähigkeitsexperimenten beobachtet. Das experimentell beobachtete Maximum im Realteil der optischen Leitfähigkeit bei T_c konnte unser phänomenologisches Phasenfluktuationsmodell jedoch nur durch den Einbau einer zusätzlichen marginalen Fermiflüssigkeits-Streurate in die Formel für die optische Leitfähigkeit beschreiben. Als letztes wurde die homogene statische diamagnetische Suszeptibilität berechnet. Es stellte sich heraus, dass Vorläufereffekte des idealen diamagnetischen Zustands oberhalb von T_c in der statischen diamagnetische Suszeptibilität äußerst gering sind und sich auf Temperaturen in der Nähe von T_c beschränken. Stattdessen wird die Temperaturabhängigkeit der statischen homogenen magnetischen Suszeptibilität von der Pauli-Spinsuszeptibilität bestimmt. Diese zeigt für das Phasenfluktuationsmodell einen charakteristischen Verlauf, der erstaunlich gut mit der Temperaturabhängigkeit des Magnetresonanz Knight-shift in unterdotierten Bi2212-Verbindungen übereinstimmt.

University, Diss., 2006--Frankfurt (Main). / Zsfassung in dt. und engl. Sprache.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2008

Universiẗat, Diss., 1999--Osnabrück.