[論文レビュー] Exploring High-Temperature Superconductivity in the Extended Hubbard Model with Antiferromagnetic Tendencies

Zhipeng Sun, Hai-Qing Lin|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、強い局所的クーロン反発力に起因する反強磁性（AFM）の傾向を仮定し、最近接遷移子間引力を含む拡張ハーバードモデルにおける高温超伝導の性質を平均場理論を用いて調査した。広いドーピング範囲にわたりd波超伝導とAFM秩序が共存することを発見し、Tcが最近接引力の強さ|V|にほぼ比例することが判明した。これはフラットバンドと強い電子-格子結合がTcの向上を引き起こす主な要因である可能性を示唆している。

ABSTRACT

The enigma of unconventional superconductivity in doped cuprates presents a formidable challenge in the realm of condensed matter physics. Recent findings of strong near-neighbor attractions in one-dimensional cuprate chains suggest a new avenue for investigating cuprate superconductors. Consequently, we revisited the superconductivity in the extended Hubbard model at the mean-field level. Anticipating a prevalence of antiferromagnetic order due to strong local Coulomb repulsion, our calculations reveal the coexistence of superconducting and antiferromagnetic orders across a wide range of doping at sufficiently low temperatures. The mean-field results capture some key features of cuprate superconductors, including $d$-wave pairing symmetry, a dome-shaped dependence of $T_c$ on doping, and higher superconducting transition temperatures. Additionally, we observed a nearly proportional relationship between $T_c$ and the strength of the nearest-neighbor attraction, reminiscent of experimental findings at the FeSe/SrTiO3 interface. The mean-field results suggest that the extended Hubbard model could be the appropriate framework for investigating cuprate superconductivity and offer insights for more precise calculations within this model in future.

研究の動機と目的

• 強い局所的クーロン反発力下での拡張ハーバードモデルにおける超伝導秩序と反強磁性秩序の相乗的相互作用を調査すること。
• 最近接遷移子間引力を含めることで、銅酸化物の物性と整合する高Tc超伝導が安定化するかどうかを評価すること。
• フェルミ準位付近のvan Hove特異性とフラットバンドがTcに与える影響を調査すること。
• 平均場アプローチがドーム型のTcドーピング依存性とd波ペアリング対称性を的確に捉えられるかを検証すること。
• 今後の高精度な計算に向けた理論的基盤を提供すること。

提案手法

• オンサイト反発力（U）、最近接遷移子間引力（V）、および hopping 項を含む拡張ハーバードハミルトニアンに平均場近似を適用する。
• 系に反強磁性秩序への傾向があると仮定し、自己無撞撃的平均場方程式に組み込む。
• 超伝導秩序パラメータと反強磁性秩序パラメータの両方についてBCS型ギャップ方程式を同時に解く。
• フェルミ準位付近のvan Hove特異性（vHS）を特定するために状態密度（DOS）を計算する。
• ドーピング、U、|V|に依存するTcの依存性を体系的に分析し、Tc ∝ |V|の比例関係に特に注目する。
• ペアリング密度波（PDW）の兆候を検出するために、超伝導秩序パラメータの空間的周期性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最近接遷移子間引力を含む拡張ハーバードモデルは、強いオンサイト反発力下でも高Tc超伝導を支持できるか？
• RQ2 最近接引力の強さ|V|と超伝導転移温度Tcとの関係は何か？
• RQ3 フェルミ準位付近のvan Hove特異性とフラットバンドは、このモデルにおけるTcにどのように影響を与えるか？
• RQ4 平均場理論の枠組みにおいて、反強磁性秩序と超伝導秩序が広いドーピング範囲にわたり共存するか？
• RQ5 このモデルは銅酸化物で観測されるドーム型のTc対ドーピング依存性を再現できるか？

主な発見

• 平均場解により、低温下で広いドーピング範囲にわたりd波超伝導秩序と反強磁性秩序が共存することが明らかになった。
• Tcと最近接引力の強さ|V|との間には、ほぼ比例関係が成立することが判明し、FeSe/SrTiO3界面での実験的観測と整合的である。
• フェルミ準位付近に存在するvan Hove特異性（vHS）がTcの向上に重要な要因であることが特定され、Tc ∝ |V|のスケーリングを説明する可能性がある。
• 数値的にフラットバンドが観測され、Tcの増大に根幹的な役割を果たすことが示された。これはフラットバンドが非摂動的超伝導体の共通の特徴である可能性を支持する。
• AFMとSC秩序の共存により、波数Qを持つペアリング密度波（PDW）が出現し、超伝導秩序パラメータの空間的周期性が示された。
• 超伝導的および反強磁性的の二つの異なるギャップが共存しており、これは銅酸化物における準位相の起源となる可能性がある。