[論文レビュー] Quantum Phase Transition Induced by a Preformed Pair in a Boson-Fermion Model of Fulleride Superconductivity

Richard H. Squire, N. H. March|ArXiv.org|Apr 9, 2008

Fullerene Chemistry and Applications参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、フルーリド超伝導体における成対形成を駆動要因とする量子相転移（QPT）を、ボソン＝フェルミオン枠組みを用いて提案する。ドーピングによってフェシュバッハ共鳴を誘発することで、頂点補正がミグダル定理を破り、超伝導性がBCS型からBEC型（共鳴型）に変化する。成対形成がスイングレットCDW状態を安定化させ、BCS対の形成を抑制する一方で、共鳴型対形成を可能にする。

ABSTRACT

There continues to be enormous interest in the BCS to BEC transition as there still is no exact theory. We recently reported a revealing reinterpretation of the condensed phase Boson-Fermion Model (BFM) by comparing it to a cold atom formulation [1]. While the ground and singly excited states appear to remain continuous in all models we have examined, the collective modes contain a singularity due to a Feshbach resonance (tuned by doping) causing a breakdown of the Migdal theorem. As a result of vertex corrections, there is a fundamental change in the nature of the superconductivity due to the formation of preformed pairs as the previously suggested location [1] of a quantum critical point in the fulleride phase diagram is passed. The result is a quantum phase transition (QPT) between BCS and BEC-like (or Feshbach resonance) superconductivity (SC). We discuss features of the resonance and the role of the experimentally observed preformed pair formation in fullerides, essential to the Boson-Fermion Model (BFM), and often speculated since the work of Nozieres and Schmitt-Rink [17]. Here, we present arguments to establish a model of the preformed pair which can be favorably compared to a circular charge density wave (CDW) isolated on a fulleride molecule. The binding is much larger than a Cooper pair. The CDW seems to be stabalized by splitting of the Jahn-Teller active vibrational modes to reduce Coulomb repulsions. Our conclusions are: 1) the doping of two electrons into triply degenerate orbitals results in the experimentally observed singlet state (CDW); and 2) this CDW (preformed pair) has a dual role as doping is varied: suppression of BCS SC and enabling a Feshbach resonance form of SC.

研究の動機と目的

• 実験的に観測されたフルーリドにおける成対形成を統一的理論枠組みで説明すること。
• フルーリドにおけるBCS型からBEC型超伝導性への転移のメカニズムを特定すること。
• ドーピング誘発フェシュバッハ共鳴が量子相転移を駆動する役割を確立すること。
• C60分子上におけるスイングレット電荷密度波（CDW）の形成が、成対形成の安定化に与える影響を結びつけること。
• 強い電子相関の存在下で頂点補正がミグダル定理を破る理由を解明すること。

提案手法

• 成対形成をボソン的自由度として扱うボソン＝フェルミオンモデル（BFM）をフルーリドの電子対形成に適応する。
• ドーピングによって調整可能なフェシュバッハ共鳴を導入し、有効相互作用を変化させ、量子臨界点を誘発する。
• 自己エネルギーに頂点補正を適用し、ミグダル定理を破り、超伝導対形成の性質を変化させる。
• 成対形成をC60分子上での局在的スイングレットCDWとしてモデル化し、ジャハン＝テラー歪みによってクーロン反発を低減させることで安定化させる。
• 平均場アプローチを用いてBCSとBEC型超伝導相の間の転移を分析する。
• 冷たい原子系と比較することで、フェシュバッハ共鳴メカニズムの妥当性と集団モードへの影響を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フルーリドにおける成対形成が、BCS型とBEC型超伝導性の間の量子相転移をどのように引き起こすか？
• RQ2 ドーピングがボソン＝フェルミオンモデルにおけるフェシュバッハ共鳴をどのように調整し、転移を駆動するか？
• RQ3 フェシュバッハ共鳴に起因する頂点補正がミグダル定理を破ることで、超伝導対形成メカニズムにどのような変化が生じるか？
• RQ4 C60上に形成される円形電荷密度波（CDW）が、成対形成をどのように安定化させ、BCS対形成を抑制するか？
• RQ5 三重簡約軌道に2個の電子をドーピングした際に観測されるスイングレット状態の起源は何か？

主な発見

• C60の三重簡約軌道に2個の電子をドーピングすると、実験的観測と整合する安定なスイングレットCDW状態が形成される。
• CDWは結合エネルギーがクーロン対よりも顕著に大きな成対として機能し、振動モードのジャハン＝テラー分裂によって安定化される。
• フェシュバッハ共鳴に起因する頂点補正がミグダル定理を破り、超伝導対形成メカニズムを根本的に変化させる。
• 臨界ドーピング濃度で量子相転移が発生し、BCS型からフェシュバッハ共鳴型（BEC型）超伝導性に移行する。
• 成対形成は二重の役割を果たす：BCS超伝導性を抑制すると同時に、フェシュバッハメカニズムによる共鳴型超伝導性を可能にする。
• フェシュバッハ共鳴に起因する集団モードに特異性が現れ、標準的摂動的扱いの破綻を示し、真の量子臨界点の存在を確認する。