[論文レビュー] Light-Enhanced Spin Fluctuations and d-Wave Superconductivity at a Phase Boundary

Yao Wang, Cheng-Chien Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、モット＝パイエルス系における電荷密度波とスピン密度波の間の量子相転移境界近くで、光誘発によるd波超伝導の増強が生じることを示している。時間分解正確対角化を用いて、光励起がスピン揺らぎ（特にd対称性に投影されたスピン揺らぎ）を増幅させると同時に競合する秩序を抑制することで、非平衡状態においても一時的な超伝導が実現されることを明らかにした。

ABSTRACT

Time-domain techniques have shown the potential of photo-manipulating existing orders and inducing new states of matter in strongly correlated materials. Using time-resolved exact diagonalization, we perform numerical studies of pump dynamics in a Mott-Peierls system with competing charge and spin density waves. A light-enhanced $d$-wave superconductivity is observed when the system resides near a quantum phase boundary. By examining the evolution of spin, charge and superconducting susceptibilities, we show that a sub-dominant state in equilibrium can be stabilized by photomanipulating charge order to allow superconductivity to appear and dominate. This work provides an interpretation of light-induced superconductivity from the perspective of order competition, and offers a promising approach for designing novel emergent states out of equilibrium.

研究の動機と目的

• 量子相転移境界付近の強い電子相関系における非平衡超伝導不安定性を調査すること。
• 光誘発超伝導が運動論的効果によるものか、有効相互作用の増強によるものかを特定すること。
• スピン、電荷、準粒子ダイナミクスが一時的d波超伝導を駆動する役割を解明すること。
• 競合する秩序を持つ系における光増強超伝導の微視的メカニズムを同定すること。

提案手法

• 電子間相互作用および電子-格子相互作用を有する二次元パイエルス＝ハッブモデルの数値シミュレーション。
• 非平衡状態におけるポンプ誘発ダイナミクスを時間分解正確対角化を用いて分析。
• ポンプ中における競合秩序の進化を追跡するため、スピン、電荷、超伝導感受率の分析。
• d波対称性へのスピン揺らぎの投影を用いて、それが対称性の「接着剤」として果たす役割を評価。
• 異なるポンプ強度下での状態密度（DOS）の時間発展および準粒子重みの変化を比較。
• パルス光場を用いて系を一時的に摂動し、CDW-SDW相境界付近での応答を調べること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平衡状態で超伝導でない系において、光が顕著なd波超伝導を誘発できるか？
• RQ2 光増強超伝導の主な微視的メカニズムは、スピン揺らぎ、準粒子重み、またはバンド幅工学のいずれか？
• RQ3 なぜd波対称性の増強が、バルク相よりも量子相転移境界付近で顕著に現れるのか？
• RQ4 競合する電荷密度波およびスピン密度波秩序は、光誘発超伝導状態の安定性にどのように影響するか？
• RQ5 DOSにおけるギャップ様構造のような多体効果が、一時的超伝導不安定性の持続に果たす役割は何か？

主な発見

• 光誘発d波超伝導は、電荷密度波とスピン密度波の間の量子相転移境界付近でのみ観測され、どちらの相の内部では観測されない。
• 対相関の増強は、d対称性に投影されたスピン揺らぎの増大と強く相関しており、これが対称性の「接着剤」としての役割を果たしていることが示唆される。
• パイエルス相では、最大の対相関増強がポンプの終了直後に発現するが、モット相ではポンプ開始直後に発現するため、ダイナミクスの経路が異なる。
• 増強された対の長期的存続は、多体効果に起因する：ポンプ後、スピン揺らぎの回復が抑制されるDOSにおけるギャップ様構造がその要因である。
• 準粒子重みの増大だけでは超伝導が駆動されない。むしろ、抑制された電荷揺らぎと増強されたスピン励起の相乗効果が重要である。
• 結果から、有効相互作用（特にスピン揺らぎ）が、観測された非平衡超伝導不安定性を駆動する上で、運動論的または準粒子的効果よりも重要であることが示された。