[論文レビュー] Superconducting dome in doped quasi-2d organic Mott insulators: a paradigm for strongly-correlated superconductivity

Charles-David Hébert, P. Sémon+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、プラケット細胞ダイナミカル平均場理論と連続時間量子モンテカルロ法を用いて、ドーピングされた準二次元有機モット絶縁体における超伝導性が、反強磁性量子臨界点ではなく、仮想ギャップ金属と相関金属の間の一次転移に起因することを示した。超伝導ドームは、半充満状態と比較して約25%向上し、U/tの範囲が広がり、この転移はモット転移がドーピング領域にまで延長されたものであり、カルピット系の物理と類似している。

ABSTRACT

Layered organic superconductors of the BEDT family are model systems for the interplay of the Mott transition with superconductivity, magnetic order and frustration. Recent experimental studies on a hole-doped version of BEDT compounds reveal an enhancement of superconductivity and a rapid crossover between two different conducting phases above the superconducting dome. One of these phases is a Fermi liquid, the other not. Using plaquette cellular dynamical mean field theory with state of the art continuous-time quantum Monte Carlo calculations, we study this problem with the two-dimensional Hubbard model on the anisotropic triangular lattice. Phase diagrams as a function of temperature $T$ and interaction strength $U/t$ are obtained for anisotropy parameters $t'=0.4t$, $t'=0.8t$ and various fillings. As for cuprates, we find, at finite doping, a first-order transition between two normal-state phases. For $T$ above the critical point of the first-order transition, there is a Widom line where crossovers occur. The results are in broad agreement with experiment. This suggests that for compounds with intermediate to high frustration, very light-doping should reveal the first-order transition and associated crossovers. These crossovers could leave traces in the superconducting phase. We also predict that destroying the superconducting phase by a magnetic field should reveal the first-order transition. Finally, we predict that electron-doping should also lead to an increased range of $U/t$ for superconductivity but with a reduced maximum $T_c$. This work also clearly shows that the superconducting dome here is tied to the Mott transition and its continuation as a transition separating pseudogap phase from correlated metal in doped compounds, as in the cuprates. Contrary to heavy fermions for example, the maximum $T_c$ is definitely not attached to an antiferromagnetic quantum critical point.

研究の動機と目的

• ドーピングされた準二次元有機モット絶縁体における超伝導ドームの起源を理解すること、特にヘリウムドーピングされたBEDTベース化合物を対象とする。
• 実験的に観察された超伝導性の向上と正規状態のクロスオーバーが、反強磁性量子臨界点に起因するのか、それともモット転移に起因するのかを特定すること。
• 電子的フラストレーション（t′/t比を用いて）が磁気秩序の抑制および超伝導性・正規状態の相の変化に与える影響を調査すること。
• 超伝導状態における一次転移の兆候を、磁場による超伝導性の抑制によって特定する方法を予測すること。
• 強い相関超伝導の文脈において、ホールドーピングと電子ドーピングの系の挙動を比較すること。

提案手法

• 異方的三角格子上の二次元ハッブルモデルを解くために、プラケット細胞ダイナミカル平均場理論（CDMFT）が用いられた。
• 自己エネルギーおよびグリーン関数を高精度で計算するために、連続時間量子モンテカルロ（CTQMC）計算が用いられた。
• 温度T、相互作用強さU/t、充填度n、フラストレーションパラメータt′/t（0.4t、0.8t）を関数として、相図が計算された。
• 熱力学的およびスペクトル解析を通じて、仮想ギャップ相と金属相の間の一次転移の存在が特定された。
• 臨界点の上でのクロスオーバー行動を示すウィドムラインが、T–U/t平面にマッピングされた。
• 電子ドーピングの効果をホールドーピングと比較して、超伝導性の挙動における対称性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーピングされた有機モット絶縁体における超伝導ドームは、反強磁性量子臨界点に起因するのか、それともモット転移の継続に起因するのか？
• RQ2 フラストレーション（t′/t）は、磁気秩序の抑制および超伝導性の安定性にどのように影響するか？
• RQ3 正規状態における仮想ギャップ相と金属相の間の一次転移は、磁場による超伝導性の破壊によってプローブ可能か？
• RQ4 なぜドーピングされた化合物では、半充満状態と比較して超伝導ドームが広がり、Tcが高くなるのか？
• RQ5 電子ドーピングは、最大Tcおよび超伝導性のU/t範囲にどのように影響するか？

主な発見

• 最大超伝導臨界温度Tc,maxは、半充満状態と比較して、ドーピング状態で約25%向上した。
• ドーピング化合物では、超伝導性が現れるU/tの範囲が顕著に広がっており、特に高いフラストレーション（t′/t = 0.8）の条件下で顕著である。
• 有限ドーピングおよび低温において、仮想ギャップ相と相関金属の間の一次転移が発生し、これは半充満状態におけるモット転移と連続的につながっている。
• 超伝導ドームは反強磁性量子臨界点とは関連しないことが確認された。これは、最適ドーピング近傍で長距離反強磁性秩序が存在しないことから裏付けられた。
• 磁場による超伝導性の抑制を施すと、軽微なドーピングおよび高いフラストレーションを持つ化合物において、仮想ギャップ相と金属相の間の一次転移が正規状態で明らかになるだろう。
• 電子ドーピングは最大Tcを低下させることが予測されるが、依然としてU/tの超伝導性が現れる範囲を広げることから、カルピット系とは異なるドーピング非対称性が示唆される。