[論文レビュー] Quantum phase transitions in $d-wave$ superconductors

Ki‐Seok Kim, Sung-Sik Lee+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2004

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、d波超伝導体における内部U(1)ゲージ電荷の閉じ込めから脱閉じめへの遷移（CDT）を、過ドーピング領域における反強磁性の抑制を説明する新しい量子相転移として提案する。ホロン対ボソン理論から導かれた有効な(2+1)Dラグランジアンを用いて、非可換QED₃場理論が出現する臨界点を特定し、この遷移が非フェルミ液体行動および分数量子粒子と関連することを示している。

ABSTRACT

Based on an effective Lagrangian obtained from the holon-pair boson theory of Lee and Salk [Phys. Rev. B {\bf 64}, 052501 (2001)] for high $T_c$ cuprates, we explore physical states involved with quantum phase transitions around a critical hole doping of $d-wave$ superconductivity. We find a new quantum phase transition, a confinement to deconfinement transition for internal gauge charge in the superconducting phase. An antiferro- to para- magnetic transition in the superconducting state is explained in the context of the confinement to deconfinement transition. We obtain effective field theories in each region associated with the phase transitions.

研究の動機と目的

• 過ドーピングd波超伝導体における反強磁性の抑制を引き起こす量子相転移を理解すること。
• 実験的観察と整合するように、d波超伝導性と反強磁性が直接相互作用しない状態で共存することを説明すること。
• 超伝導状態における内部ゲージ電荷の脱閉じめに関連する新しい量子臨界点を特定すること。
• 高Tc銅酸化物における非フェルミ液体行動を、転移点で出現する臨界場理論と結びつけること。
• 異なる相における有効場理論を導出し、特に分数量子粒子を示す脱閉じめ相を含むこと。

提案手法

• 高Tc銅酸化物に対してスレーブボソン表現とホロン対ボソン理論を用いて、有効な(2+1)Dラグランジアンを導出する。
• 合成場を導入する：コープアー対位相場 $\phi_p = \phi_{bp} - \phi_{sp}$ および電荷子対位相場 $\phi_c = - (\phi_{bp} + \phi_{sp})$。
• 正規化群解析を実施し、相の剛性の再正規化および有効結合項を特定する。
• 系の3つの相（閉じ込め：不足ドーピング、臨界点：中間ドーピング、脱閉じめ：過ドーピング）を分析する。
• 臨界点が、質量ゼロのディラックフェルミオンとホロンがU(1)ゲージ場に結合する非可換QED₃理論であることを特定する。
• ゲージ場の分解と場の再定義を用いて、脱閉じめ相における分数量子粒子を明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 d波超伝導体の過ドーピング領域における反強磁性の消失を引き起こす量子相転移の性質は何か？
• RQ2 超伝導状態において内部U(1)ゲージ電荷が閉じ込めから脱閉じめへどのように遷移するか？
• RQ3 高Tc銅酸化物で観測される非フェルミ液体行動は、新しい量子臨界点における臨界場理論で説明可能か？
• RQ4 電荷子対場 $\phi_c$ は、閉じ込めから脱閉じめへの遷移を媒介する役割を果たすか？
• RQ5 特に分数量子粒子化の観点から、超伝導相の異なる相における有効場理論はどのように異なるか？

主な発見

• d波超伝導状態において、内部U(1)ゲージ電荷の閉じめから脱閉じめへの新しい量子相転移が同定された。
• 超伝導相における反強磁性から常磁性への遷移は、CDTの結果であると説明され、超伝導性との直接的結合とは無関係である。
• 脱閉じめ相では、電荷 $-e/2$ の準スピンオンと電荷 $+e/2$ の準ホロンからなる分数量子粒子が現れる。
• 臨界定数 $\delta_c^{in}$ において、質量ゼロのディラックフェルミオンと非可換U(1)ゲージ場に結合するホロンを含む非可換QED₃場理論が出現する。
• 臨界QED₃理論は、従来のフェルミ液体または超伝導理論とは異なる、高Tc銅酸化物における非フェルミ液体行動を説明する。
• 反強磁性と超伝導性の間の相互作用が存在しないため、超伝導転移はXY普遍性クラスに属し、実験と整合する。