[論文レビュー] Disorder- and Field-Induced Antiferromagnetism in Cuprate Superconductors

Markus Schmid, Brian M. Andersen+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2009

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 39被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、ドーピング不足の銅酸化物超伝導体において、不純物や磁場がd波超伝導性の抑制に加え、電子相関と対称性の効果によって、Andreev局在状態の相関駆動的分裂を通じて反強磁性秩序を誘発すると提案する。このメカニズムは、d波対称性に起因する秩序パラメータの符号変化により、不純物やストリング周囲に局在したスピン密度波（SDW）ドロップレットが形成されることに起因する。主な結果として、反相領域壁が中性子散乱で検出可能な磁性の正しい温度依存性を再現するために不可欠であることが示された。

ABSTRACT

The underdoped high-Tc materials are characterized by a competition between Cooper pairing and antiferromagnetic (AF) order. Important differences between the superconducting (SC) state of these materials and conventional superconductors include the d-wave pairing symmetry and a remarkable magnetic response to nonmagnetic perturbations, whereby droplets of spin-density wave (SDW) order can form around impurities and the cores of vortices. In a simple picture, whenever SC is suppressed locally, SDW order is nucleated. Within a mean-field theory of d-wave SC in an applied magnetic field including disorder and Hubbard correlations, we show in fact that the creation of SDW order is not simply due to suppression of the SC order parameter, but rather due to a correlation-induced splitting of the electronic bound state created by the perturbation. Since the bound state exists because of the sign change of the order parameter along quasiparticle trajectories, the induced SDW order is a direct consequence of the d-wave symmetry. Furthermore the formation of anti-phase domain walls is important for obtaining the correct temperature dependence of the induced magnetism as measured by neutron diffraction.

研究の動機と目的

• ドーピング不足の銅酸化物超伝導体における磁場および不純物誘発反強磁性秩序の微視的起源を理解すること。
• 中性子散乱で観測された温度依存性の相違に起因する、零磁場と磁場誘発磁性応答の乖離を解消すること。
• 誘発磁性が超伝導性の抑制に起因するのか、それとも内在的な電子相関および対称性効果に起因するのかを明確にすること。
• 反相領域壁が誘発磁性の温度依存的変化を正しく捉える上で果たす役割を確立すること。

提案手法

• ハッブル相関、不純物、外部磁場を含む系にd波超伝導性の平均場理論を適用する。
• モデルは、超伝導秩序パラメータを抑制する局所的摂動として磁性不純物およびストリングを組み込む。
• Bogoliubov-de Gennes形式を用いてAndreev局在状態を分析し、磁場のオービタル効果を反映させるために、磁場Bloch定理による波動関数の変換を実施する。
• 局所磁化のフーリエ変換として磁性構造因子|M(q)|²を計算し、スピンスピン相関の因子分解により近似する。
• 周期的境界条件を用いた有限格子上で系を解き、磁束量子化を扱うためにスーパセル法を採用する。
• 異なる相互作用および不純物パラメータにおける局所スピン偏極⟨σiᶻ⟩の計算を通じて、誘発磁性の温度依存性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーピング不足の銅酸化物超伝導体において、超伝導性が局所的に抑制されているにもかかわらず、ストリングコアおよび不純物周囲に磁性秩序がどのようにして出現するのか？
• RQ2 磁場下における不整合性SDW秩序の温度依存的増強の微視的起源は何か？
• RQ3 d波対称性が局在状態の形成およびその後のスピン密度波秩序にどのように寄与するのか？
• RQ4 両者ともTcで消えるにもかかわらず、零磁場と磁場誘発信号の間で温度依存性が異なるのはなぜか？
• RQ5 反相領域壁は、観測された磁性秩序の安定化および実験的中性子散乱データとの一致にどのような役割を果たすのか？

主な発見

• スピン密度波（SDW）秩序の形成は、d波超伝導秩序パラメータの抑制に起因するのではなく、電子相関に起因するAndreev局在状態の分裂に起因する。
• 誘発磁性はd波対称性と直接関連しており、準粒子の経路に沿った秩序パラメータの符号変化が局在状態の分裂および局所的磁気モーメントを引き起こす。
• 零磁場下では、不純物が純粋系の反強磁性相関長と一致するサイズの局在的SDWドロップレットを誘発し、磁化の実空間可視化により確認された。
• 磁場を印加すると、特にストリングコア付近でSDW秩序が強化され、超伝導秩序パラメータが僅かに抑制されている領域へも拡張される。
• 反相領域壁をモデルに組み込むことで、誘発磁性の温度依存性が正しく再現され、中性子回折データと一致する。
• 磁化のフーリエ変換により計算された磁性構造因子|M(q)|²は(π,π)にピークを示し、磁場下での不整合性SDW秩序の実験的観測と整合的である。