[論文レビュー] Charge order and loop currents in hole-doped cuprates

Yuxuan Wang, Andrey V. Chubukov|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、穴ドープヘチン酸化物における磁気的媒介相互作用が、d波超伝導と波数 Qx = (2Q,0) および Qy = (0,2Q) の不整合性を持つ電荷秩序を駆動し、時間反転対称性を破るストライプ型電荷秩序とループ電流を誘発することを提案する。ループ電流秩序は、T* > TmCDW のより高い温度で出現し、ゼロ合計運動量の複合秩序を形成し、有限ドーピングにおける第二の量子臨界点を確立する。これによりスピン揺動理論が完成する。

ABSTRACT

We analyze charge order in hole-doped cuprates. We show that magnetically-mediated interaction, which is known to give rise to non-Fermi liquid behavior in the normal state and $d$-wave superconductivity, also gives rise to charge order with momenta $Q_x =(2Q,0)$ and $Q_y =(0,2Q)$, as seen in the experiments. We show that the emerging charge order is of stripe type (it appears with $Q_x$ or $Q_y$, but not with both). We further show that a stripe charge order parameter has two components: one is incommensurate density variation, another is incommensurate current. Such an order breaks time reversal symmetry and generates loop currents. We show that loop current order sets up at a higher $T^* > T_{ m CDW}$, when the density and the current components form a composite order with zero total momentum. We further show that $T_{ m CDW} (x)$ and $T^*(x)$ terminate at $T=0$ at some finite doping $x and set up the second quantum critical point at some distance away from the magnetic one. We argue that our theory provides the missing link in the spin-fluctuation scenario for the cuprates.

研究の動機と目的

• 穴ドープヘチン酸化物で観測された波数 Qx = (2Q,0) および Qy = (0,2Q) を持つ電荷秩序の起源を説明すること。
• このような電荷秩序が時間反転対称性をどのように破り、ループ電流を生成するかを明確にすること。
• ループ電流秩序と電荷密度波秩序の間の温度順序 T* > TmCDW を確立すること。
• 有限ドーピングにおける磁気的臨界点とは異なる第二の量子臨界点の存在を特定すること。
• 磁気的相互作用を共通のメカニズムとして超伝導、電荷秩序、ループ電流を統合することでスピン揺動理論を完成させること。

提案手法

• 穴ドープヘチン酸化物の常温状態における磁気的媒介電子相互作用を、スピン揺動フレームワークを用いて分析する。
• スピン揺動交換相互作用から波数 Qx および Qy を持つ電荷秩序の出現を導出する。
• 電荷秩序パラメータが二つの成分を持つことを同定する：不整合性密度変調と不整合性電流。
• 密度成分と電流成分の複合秩序がゼロ合計運動量の状態を形成し、これにより T* でループ電流秩序が出現できることを示す。
• 平均場理論と対称性解析を用いて、電流成分による時間反転対称性の破れを示す。
• TmCDW(x) と T*(x) の温度依存性を決定し、有限ドーピング x に対して T=0 で終了することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 穴ドープヘチン酸化物における波数 Qx = (2Q,0) および Qy = (0,2Q) を持つ電荷秩序の形成を駆動するメカニズムは何か？
• RQ2 不整合性密度成分と不整合性電流成分の共存が、時間反転対称性の破れとループ電流をどのように生じさせるか？
• RQ3 なぜループ電流秩序が電荷密度波転移 TmCDW よりも高い温度 T* で出現するのか？
• RQ4 密度成分と電流成分からなる複合秩序パラメータが、ループ電流の安定化に果たす役割は何か？
• RQ5 TmCDW(x) と T*(x) はドーピングに応じてどのように変化するのか？また、それらが T=0 で終了することはどのような意味を持つのか？

主な発見

• 穴ドープヘチン酸化物における電荷秩序は、観測された Qx および Qy 波数と整合する磁気的媒介相互作用に起因する。
• 電荷秩序はストライプ型であり、Qx または Qy のどちらか一方に現れるが、同時に両方現れない。
• 電荷秩序パラメータは二つの成分を持つ：不整合性密度変調と不整合性電流で、時間反転対称性を破る。
• ゼロ合計運動量の複合秩序のおかげで、ループ電流秩序が T* > TmCDW のより高い温度で出現する。
• TmCDW(x) と T*(x) は有限ドーピング x に対して T=0 で終了し、磁気的臨界点とは異なる第二の量子臨界点を示す。
• この理論により、共通の磁気的相互作用メカニズムを通じて超伝導、電荷秩序、ループ電流が統合され、スピン揺動理論が完成する。