[論文レビュー] Fermi pockets in a d-wave superconductor with coexisting loop-current order

Steven A. Kivelson, C. M. Varma|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2012

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、d波超伝導体に局所単位胞内ループ電流秩序が共存する場合、ボゴリューボフ準粒子の有限サイズのフェルミポケットが支持されることを提案している。これにより、低温で残留線形T比熱と有限のパラ磁性導電率が生じ、超伝導状態における安定したフェルミ表面の主要な兆候となり、ドーピング不足のYBCOにおける異常を説明する可能性がある。

ABSTRACT

A d-wave superconducting phase with coexisting intra-unit-cell orbital current order has the remarkable property that it supports finite size Fermi pockets of Bougoliubov quasiparticles. Experimentally detectable consequences of this include a residual $T$-linear term in the specific heat in the absence of disorder and residual features in the thermal and microwave conductivity in the low disorder limit.

研究の動機と目的

• 高品質なYBa2Cu3O7-δ結晶で観測された残留線形T比熱を説明すること。これは不純物が存在しない状態でも持続する。
• d波超伝導体におけるループ電流秩序が、従来のBCS予想とは反して有限のフェルミ表面を安定化させることを調査すること。
• ノード部のフェルミポケットの理論的予測を、キュプロレート超伝導体における測定可能な輸送および熱力学的性質と結びつけること。
• この状態が準ギャップ相および高Tc超伝導体における関連する異常を説明するための妥当性を評価すること。
• マイクロ波および熱伝導率データを、残留準粒子状態密度の観点から解釈する理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• 正方格子上の単一オービタルタイトバインディングモデルを構築し、d波超伝導ペアリングと平均場ループ電流秩序パラメータを導入する。
• 時間反転および反射対称性を破るが、格子対称性およびスピン回転不変性を保つ、運動量に依存する準粒子分散のシフトJ_kを導入する。
• 準粒子エネルギースペクトルE_k = J_k ± √(ε_k² + |Δ_k|²)を導出し、ループ電流秩序が元のd波ノードを2つのノード点と2つの楕円形フェルミポケットに分離することを示す。
• 状態密度をエネルギーの一次関数として計算し、N(E) = (2/π)(J̄ + |E|)/(ℏ²v_F v_Δ)を得る。フェルミポケットのおかげでゼロエネルギーにおける状態密度が有限であることを示す。
• フェルミポケットのサイズを、比熱係数γおよびパラ磁性導電率Sといった測定可能な量と関連付ける。S ∝ A ∝ (J̄²)/(v_F v_Δ)と表される。
• YBCOの実験データを用いて、ループ電流秩序パラメータJ̄ ≈ 60 meVを推定し、YBCOにおける観測されたγ(0) ≈ 2 mJ/mol·K²と整合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 d波超伝導体にループ電流秩序が共存する場合、準粒子の有限サイズのフェルミポケットが支持されるか？
• RQ2 このようなフェルミポケットが超伝導状態において実験的に検出可能な影響を及ぼすか？
• RQ3 ループ電流秩序の存在が、E=0近辺の準粒子スペクトルおよび状態密度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 YBCOで観測された残留線形T比熱およびパラ磁性導電率は、このメカニズムで説明可能か？
• RQ5 マイクロ波導電率および熱輸送測定が、これらのフェルミポケットの存在およびサイズにどのような制約を課すか？

主な発見

• d波超伝導とループ電流秩序の共存により、準粒子スペクトルに2つの楕円形フェルミポケットと2つのシフトされたノード点が形成される。
• ゼロエネルギーにおける状態密度は有限であり、N(0) = (2/π)(J̄)/(ℏ²v_F v_Δ)で与えられ、YBCOにおけるγ(0) ≈ 2 mJ/mol·K²から推定されたJ̄ = 60 meVと一致する。
• 比熱は低温で残留線形T項を示し、高品質YBCO結晶における実験的観測と整合する。
• パラ磁性導電率Sは、通常状態の値の約3%であると予測され、ループ電流秩序パラメータの二乗に比例し、秩序が消滅するに従いゼロに減少する。
• 積分スペクトル重みの線形温度依存性を示すマイクロ波導電率データは、凝縮していない準粒子重みの存在を支持し、フェルミポケットと整合する。
• ループ電流秩序の寿命τ_loop ≈ 10⁻¹¹ sの推定値は、熱伝導率の大幅な増幅を示唆するが、これはまだ実験的に観測されていない。