[論文レビュー] A suggested 4 x 4 structure in underdoped cuprate superconductors: a Wigner supersolid

P. W. Anderson|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2004

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、ドーピングが不足した銅酸化物超伝導体における4×4の非一様構造を、Wigner超固体として提案する。これは、d波の共振価電子結合（RVB）背景に埋め込まれたd波の空孔対結晶である。空間的に変化する不活性度Zを用いたGutzwiller射影BCS波動関数を用いることで、特に1/8ドーピングにおいて超伝導性と電荷秩序の共存を説明し、ノード付近の準粒子が依然としてコherentであり、超伝導転移温度Tcが超伝導流体剛性の低下により低下することを示している。

ABSTRACT

A wave function is proposed for the "$4 imes 4$" inhomogeneous structures observed on cuprate superconductors. It is based on the Gutzwiller-RVB technique proposed in recent papers, and consists of a Wigner solid of hole pairs embedded in a sea of d-wave spin singlet pairs. Arguments are given that the nodal quasiparticles may remain unscattered and even superconducting on such a structure.

研究の動機と目的

• STM実験で観測されたドーピングが不足した銅酸化物における4×4の電荷密度波構造を説明すること。
• 強い電子反発があるにもかかわらず、電荷秩序が存在する中で依然として持続する超伝導性とノード付近の準粒子のコherencyを説明すること。
• LSCOおよび関連材料における長年の1/8ドーピング異常問題を解消すること。
• 超伝導的秩序と結晶的秩序を併せ持つ超固体相の微視的波動関数を提供すること。
• Coulomb力による長距離的電荷秩序とd波超伝導性の共存を、統一的なGutzwiller射影BCSフレームワークで説明すること。

提案手法

• 波動関数 |Ψ⟩ = exp(iS) ̂P_G × Z^{n_pairs} × |Φ_BCS⟩ を提案し、Zを空間的に変化させることで空孔対密度の調制をモデル化する。
• 重なりを排除するためのGutzwiller射影子 ̂P_G を用い、位相と振幅の関係を保持する。
• 化学ポテンシャル勾配を表すために空間的に変化する不活性度Zを導入し、4×4プラケットではZ1、周囲のサイトではZ2とする。
• 修正されたBCS状態の自己無撞撃ギャップ方程式を解くことで、再正規化平均場理論を用いて系を扱う。
• 超伝導流体剛性ρsをZに比例するとモデル化し、低Z領域でρsが低下し、Tcが低下することを示す。
• サブラットスのポテンシャルを用いたバンド構造を分析し、ノード付近での状態密度がゼロに近づくため、準粒子のコherencyが保たれることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜドーピングが不足した銅酸化物に、特に1/8ドーピングで4×4の電荷密度波構造が現れるのか？
• RQ2 強い電子反発がある系において、長距離的電荷秩序と超伝導性が共存できるのはなぜか？
• RQ3 LSCOにおける1/8ドーピング異常現象の微視的起源は何か？また、なぜ1/16ドーピングのような低いドーピングでは現れないのか？
• RQ4 空間並進対称性を破る電荷密度波が存在する中で、なぜノード付近の準粒子がコherentを保てるのか？
• RQ5 STMおよびボソンコア研究では観測された格子定数が4aよりわずかに大きいのはなぜか？

主な発見

• 提案された4×4構造はWigner超固体である：d波の空孔対結晶がd波のRVB背景に埋め込まれており、Coulombエネルギーの増加と運動エネルギーの増加によって安定化される。
• 不活性度Zの空間的変調により、Z1 ≈ 0.33が中央のプラケットで、Z2 ≈ 0.2が他の場所で、空孔対密度の最大値が4×4のサイトに現れる。
• ノード付近の準粒子がコherentなのは、エネルギーE²に比例して状態密度がゼロに近づくため、散乱が最小限に抑えられるためである。
• 低Z領域では超伝導流体剛性ρsが低下し、不均一相におけるTcの低下を説明できる。
• エネルギーバランスが、Coulombエネルギーの増加 ∝ (δZ)²/d が運動エネルギーの増加 ∝ (δZ/d)² を上回る場合にd = 4aが有利となり、最適なd² = 2/xが得られる。
• 観測されたd = 4aからのずれ（例：ボソンコアではd ≈ 4.5a）は、結晶粒界や超伝導流体剛性の低下に起因し、モデルと整合的である。