[論文レビュー] Superfluid density reveals a quantum critical point between d-wave superconductivity and a Mott insulator

D. M. Broun, P. Turner+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2005

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、3 Kから17 KのT_cを示す37個のドーピング状態における高価なアンダードープYBCOにおいて、2.64 GHzで超伝導密度rho_s(T)を測定した。T_c付近に臨界フラクチュエーションは観測されず、代わりにrho_s ~ (p - p_c)、T_c ~ (p - p_c)^1/2、rho_s(T) ~ (T_c - T)^1の関係を示す量子臨界点p_cが存在することを支持する。これは(3+1)次元XY普遍性クラスの挙動と整合的である。

ABSTRACT

The superfluid density rho_s(T) = 1/lambda^2(T) has been measured at 2.64 GHz in highly underdoped YBCO, at 37 dopings with T_c between 3 K and 17 K. Within limits set by the transition width Delta T_c ~ 0.4 K, rho_s(T) shows no evidence of critical fluctuations as T goes to T_c, with a mean-field-like transition and no indication of vortex unbinding. Instead, we propose that rho_s displays the behaviour expected for a quantum phase transition in the (3 + 1)-dimensional XY universality class, with rho_s0 ~ (p - p_c), T_c ~ (p - p_c)^1/2 and rho_s(T) ~ (T_c - T)^1 as T goes to T_c.

研究の動機と目的

• 量子臨界点近くにおける高価なアンダードープYBCOの超伝導転移の性質を調査すること。
• 超伝導密度rho_s(T)のT_c付近における臨界フラクチュエーションまたは平均場的挙動の支配的要因を特定すること。
• 観測されたT_cおよびrho_s(T)のスケーリングが(3+1)次元XY普遍性クラスと整合するかを検証すること。
• d波超伝導とモット絶縁体を分ける量子臨界点の存在を特定すること。

提案手法

• T_cが3 Kから17 Kの範囲にわたる37個のアンダードープYBCO試料に対して、2.64 GHzのマイクロ波技術を用いて超伝導密度rho_s(T)を測定した。
• London浸透深度からrho_s(T)を抽出するために、lambda^2(T) = 1/rho_s(T)を用いた。
• rho_s(T)のT → T_cに近づく際のスケーリングを分析し、臨界フラクチュエーションまたは平均場的挙動の有無を検証した。
• 観測されたT_cおよびrho_s(T)のスケーリングを、(3+1)次元XY普遍性クラスの予測（T_c ~ (p - p_c)^1/2およびrho_s(T) ~ (T_c - T)^1）と比較した。
• 遷移幅ΔT_c ~ 0.4 Kを評価し、臨界フラクチュエーションを隠蔽する可能性のある幅の拡大効果を除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高価なアンダードープYBCOにおいて、TがT_cに近づく際に超伝導密度rho_s(T)は臨界フラクチュエーションを示すか？
• RQ2 観測されたT_cおよびrho_s(T)のスケーリングは、(3+1)次元XY普遍性クラスと整合的か？
• RQ3 臨界フラクチュエーションの不在は、rho_s ~ (p - p_c)である量子臨界点p_cの存在を示唆するか？
• RQ4 データは平均場理論やストリングの解体によって説明可能か、それとも量子相転移を支持するか？

主な発見

• 遷移幅がΔT_c ~ 0.4 Kと狭いにもかかわらず、T_cに近づくに従いrho_s(T)に臨界フラクチュエーションの証拠は観測されなかった。
• T → T_cに近づく際、超伝導密度は(T_c - T)に比例してスケーリングし、(3+1)次元XY普遍性クラスの挙動と整合的である。
• T_cは(p - p_c)^1/2に比例するため、臨界ドーピングp_cにおける量子臨界点が存在することが示唆される。
• 零温における超伝導密度rho_s0は(p - p_c)に比例してスケーリングし、量子臨界スケーリングを支持する。
• ストリングの解体や平均場的挙動の両方が観測されないため、遷移の説明に従来の理論は不適切である。