[論文レビュー] Strong coupling s-wave superconductors in the extreme Pauli limit: I.The breached pair and metastable FFLO phases

Madhuparna Karmakar, Pinaki Majumdar|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、軌道的対破壊が無視できるほど強い磁場下における引力的 Hubbard モデルにおける s 波超伝導の研究を、極端なパウリ限界に注目して行っている。有限温度量子モンテカルロシミュレーションを用いて、中程度の磁場では対を破壊した状態が、高磁場では力学的に不安定な FFLO 相が現れることを明らかにした。臨界温度 Tc は平均場推定値よりも約1桁低下しており、直接測定可能な磁気構造因子との対応関係も示している。

ABSTRACT

We study s-wave superconductivity in the attractive Hubbard model in an applied magnetic field and assume the extreme Pauli limit where the orbital critical field is much greater than the Zeeman critical field. We work at a coupling corresponding roughly to the peak $T_c$ in the BCS to BEC crossover window and retain the crucial amplitude and phase fluctuations. At low field, as expected, the superconductor undergoes a second order thermal transition to the normal state, and is only weakly magnetized near $T_c$. At intermediate fields the thermal transition is still second order, but the magnetization is significantly larger, characteristic of a `breached pair' state. At strong field, the thermal transition is first order and our Monte Carlo reveals the presence of a metastable Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) state. At even higher fields we observe the true FFLO ground state. We present the full `field-temperature' phase diagram of this strong coupling problem, revealing $T_c$ scales an order of magnitude below the mean field estimate, compute the superconducting and magnetic order parameters, and map out the directly measurable magnetic structure factor. We compare these trends to results on the Pauli limited heavy fermion CeCoIn$_5$, and the cold atomic Fermi gas at unitarity. This paper focuses primarily on the homogeneous superconducting state, another deals with thermal effects in the FFLO regime.

研究の動機と目的

• 軌道的対破壊が無視できる極端なパウリ限界における強い結合 s 波超伝導体の挙動を理解すること。
• BCS-BEC遷移領域における超伝導対形成と磁場効果の相乗的相互作用を調査すること。
• FFLO状態および対を破壊した状態の出現を含む、全磁場-温度相図を描くこと。
• 強い揺らぎが存在する状況下で、磁気構造因子や超伝導オーダーパラメータなどの測定可能な物理量を計算すること。
• CeCoIn5 やユニタリティ領域における超冷却フェルミガスといった実験系と結果を比較すること。

提案手法

• 有限温度量子モンテカルロシミュレーションを用いて、磁場下の引力的 Hubbard モデルを研究した。
• 強い結合系物理学において不可欠な、超伝導オーダーパラメータの振幅および位相の揺らぎを保持した。
• 軌道的臨界磁場をゼーマン磁場よりもはるかに大きく設定することで、極端なパウリ限界を強制的に設定した。
• さまざまな磁場と温度における超伝導および磁気的オーダーパラメータの分析を通じて、磁場-温度相図を構築した。
• FFLO状態および対を破壊した状態をプローブする直接測定可能な物理量として、磁気構造因子を計算した。
• 一次遷移と二次遷移の区別を分析し、力学的に不安定な FFLO 相の発生を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極端なパウリ限界において、磁場が増加するに従い、超伝導転移が二次転移から一次転移にどのように変化するか？
• RQ2 中程度の磁場における超伝導状態の性質は何か？ 対を破壊した状態の特徴を示すか？
• RQ3 強い結合 s 波超伝導体において、高磁場下に力学的に不安定なフルデ＝フェラル＝ラリン＝オフチニコフ（FFLO）相が存在するか？
• RQ4 強い揺らぎが存在する状況下で、臨界温度 Tc は平均場推定値に対してどのようにスケーリングするか？
• RQ5 FFLO 相および対を破壊した状態において、実験的に観測可能なシグネチャー（例：磁気構造因子）は何か？

主な発見

• 強い振幅および位相の揺らぎのため、臨界温度 Tc は平均場推定値よりも約1桁低下している。
• 中程度の磁場では、顕著な磁化を示す二次転移を示し、対を破壊した状態の特徴的挙動を示している。
• 高磁場では、熱的転移が一次転移に変わるとともに、モンテカルロシミュレーションにより力学的に不安定な FFLO 相の存在が明らかになった。
• さらに高い磁場では、真の FFLO 基底状態が特定され、強いつながりの領域におけるその安定性が確認された。
• 磁気構造因子が計算され、FFLO 相と対を破壊した状態を区別する重要な観測量であることが判明した。
• 全磁場-温度相図がマッピングされ、超伝導対形成と磁場効果の複雑な相互作用が明らかになった。