[論文レビュー] Competition between Superconductivity and Charge Density Waves: the Role of Disorder

Alessandro Attanasi|ArXiv.org|Jun 5, 2009

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 62被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、クエンチド・ディスオーダーを伴うギンツブルグ＝ランダウ型の効果的理論を用いて、ドーピング不足の高温超伝導体における超伝導性（SC）と電荷密度波（CDW）の競合を調査する。理論は、ディスオーダーがSCと競合するガラス的CDW相を安定化させることを示し、擬似ギャップ領域における異常な現象——例えば巨大プロキシミティ効果や予備的マイヤー効果——を、有効剛性とフォノン的励起状態の変更によって説明する。

ABSTRACT

More recently STM experimets present firm evidence of some kind of charge modulation in underdoped cuprates. The peculiar observations of the above experiments are located in the so called pseudo-gap region of the phase diagram, just over the superconducting-dome. The model that will be used captures in a simple way the idea that the pseudo-gap phase is formed of bound fermion pairs which are close to a CDW instability but generally do not have long range order due to quenched disorder. Thus the charge degrees of freedom will be modeled by an Ising order parameter in the presence of quenched disorder, so representing a charge glassy phase. This glassy phase will be in competition with a superconducting phase modeled by a complex order parameter. As a first step we will study the model in one dimension without disorder to familiarize with it and also to search for a possible explanation of the Giant Proximity Effect (GPE). After that we will investigate numerically the ground state properties of the 2-dimensional lattice model, focusing our attention especially on the stiffness and magnetization of the system in the xy plane. We will show that disorder can induce superconductivity in a CDW phase. This picture is really interesting because it could show how an insulating system can produce a superconducting phase thank to the interplay with impurites.

研究の動機と目的

• ドーピング不足のカルコネート系における異常な超伝導現象の起源、特に擬似ギャップ領域における理解を図ること。
• クエンチド・ディスオーダーが超伝導性と電荷密度波（CDW）秩序の間の競合に与える影響を調査すること。
• 実験的異常現象——例えば巨大プロキシミティ効果、予備的マイヤー効果、Tcより上でのフォノン的励起状態——を説明すること。
• 不純物に起因するガラス的挙動を組み込んだSO(3)秩序パラメータフレームワークを用いて、CDWとSCの相互作用をモデル化すること。
• 有限サイズ系における剛性と電流保存の役割を、ヨージェフソン接合を模倣した境界条件のもとで分析すること。

提案手法

• SCとCDWの秩序パラメータの競合を記述するギンツブルグ＝ランダウに類似した有効理論を構築し、異方的ヘイゼンベルグ模型に写像する。
• z軸をCDW、xy平面をSCに割り当てた単一のSO(3)秩序パラメータを導入し、クエンチドランダム場を介してディスオーダーを組み込む。
• 角度θ（CDW/SC競合）および位相φ（超伝導電流）に対するオイラー＝ラグランジュ方程式を、ノネル電流形式を用いて導出する。
• ヨージェフソン接合を模倣する境界条件を課す：系全体に固定された位相差ΔΦを設定し、θの境界値を剛体に固定する。
• 並進不変性のもとで1次元化されたθ(x)の式を解き、有効コherence長ξ′g = ξg / √(1 + (ΔΦ/d)²ξ²g) を持つキーン型解を得る。
• 有限サイズ効果が剛性および磁化に与える影響を分析し、100×100格子で収束が得られることを確認し、バルク挙動の研究に適した大規模系の使用を裏付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クエンチド・ディスオーダーは、ドーピング不足のカルコネート系において、超伝導性と競合するガラス的CDW相をどのように安定化させるか？
• RQ2 中間層がコherence長よりもはるかに厚い高温超伝導体接合において、巨大プロキシミティ効果が発生するメカニズムは何か？
• RQ3 なぜ実験では擬似ギャップ領域においてTcより上でも予備的マイヤー応答とフォノン的励起状態が観測されるのか？
• RQ4 有限ヨージェフソン接合において、有効コherence長ξ′gは、印加された位相差ΔΦと系のサイズdにどのように依存するか？
• RQ5 有限サイズ効果は、不純物を含むSC-CDW系における剛性および電流応答にどの程度影響を及ぼすか？

主な発見

• 有効コherence長ξ′gは位相勾配によって再正規化され、(ΔΦ/d)が増加するにつれて減少する。これは、広い接合における強化されたプロキシミティ効果を説明する。
• モデルは、中間層が標準的コherence長を上回る場合でも有限の超伝導電流を再現でき、巨大プロキシミティ効果と整合的である。
• 100×100格子における有限サイズシミュレーションでは、サイズ依存性がほとんど認められず、バルク挙動を研究するにあたり大規模系の使用が妥当であることが裏付けられた。
• XY平面（超伝導チャネル）における剛性は保存され、ディスオーダーに対して頑健である。電流Iyはxにのみ依存し、電荷保存が確認された。
• 位相φはy方向に線形に変化し、φ(y) = ΔΦ/2 + (ΔΦ/d)y と表され、均一な電流流れを確保し、θ(x)プロファイルの解析的解法を可能にする。
• 角度θ(x)はキーン型解θ(x) = 2 arctan(e^{x/ξ′g}) − π/2 に従い、CDWとSC相の間のドメインウォール構造を示している。