[論文レビュー] Translation Invariant Bipolarons and Charge Density Waves in High-Temperature Superconductors

В.Д. Лахно|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 26被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、高温超伝導体における電荷密度波（CDW）が、ペシュオギャップ相において、Kohn不連続性に起因するフォノンモードの軟化によって駆動される、並進不変性（TI）双極子子から生じることを提案する。TI双極子子は臨界温度以下でボーズ＝アインシュタイン凝縮を形成し、超伝導を引き起こす。一方、CDW秩序は超伝導と共存するが、すべてのペアが秩序な状態に凝縮するため、絶対零度で消える。

ABSTRACT

A correlation is established between the theories of superconductivity based on the concept of charge density waves (CDW) and the translation invariant (TI) bipolaron theory. It is shown that CDW are originated from TI-bipolaron states in the pseudogap phase due to Kohn anomaly and form a pair density wave (PDW) for wave vectors corresponding to nesting. Emerging in the pseudogap phase, CDW coexist with superconductivity at temperatures below that of superconducting transition while their wave amplitudes decrease as a Bose condensate is formed from TI-bipolarons, vanishing at zero temperature.

研究の動機と目的

• 高温超伝導体におけるTI双極子子理論と電荷密度波（CDW）現象との理論的相関を確立すること。
• ペシュオギャップ相におけるCDWの起源が、Kohn不連続性条件下でのTI双極子子状態に起因することを説明すること。
• CDWと超伝導性の共存および競合、特に絶対零度におけるCDWの挙動を明確にすること。
• TI双極子子フレームワークにおいて、CDWとペア密度波（PDW）の記述を統一し、𝒫𝐶𝐷𝑊 = 𝒫𝑃𝐷𝑊 を特定すること。

提案手法

• 電子-フォノン結合をモデル化するため、再正規化されたフォノン周波数を用いたFröhlichハミルトニアンを用いる。
• 分散関係式 (1) を適用し、運動量依存のフォノン再正規化を組み込んだ、移動するTI双極子子のスペクトルを導出する。
• フォノン軟化と強化された電子-フォノン結合を説明するため、Kohn不連続性条件 𝜔0(𝒫𝐶𝐷𝑊) = 0 を導入する。
• 式 (6) を用いてTI双極子子の有効質量を導出し、相関効果による質量増大を示す。
• エネルギースペクトル (8) を用いて、最小エネルギーが 𝒫 = 𝒫𝐶𝐷𝑊 で発生することを示し、CDW形成を確認する。
• TI双極子子のボーズ＝アインシュタイン凝縮を適用し、超伝導転移およびT=0におけるCDW抑制を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CDWの秩序パラメータは、ペシュオギャップ相におけるTI双極子子状態からどのように生じるか？
• RQ2 Kohn不連続性は、フォノン軟化を通じてCDW形成をどのように駆動するか？
• RQ3 TI双極子子のボーズ凝縮は、CDW秩序の安定性および振幅にどのように影響するか？
• RQ4 超伝導と共存するにもかかわらず、なぜCDW秩序は絶対零度で消えるのか？
• RQ5 TI双極子子フレームワークにおいて、CDWとPDWの波数ベクトルの関係は何か？

主な発見

• 高温超伝導体におけるCDWは、Kohn不連続性に起因するTI双極子子状態に由来し、CDW波数ベクトル 𝒫𝐶𝐷𝑊 はバンドのネスティングベクトルに対応する。
• 𝒫𝐶𝐷𝑊 におけるフォノン軟化は、電子-フォノン結合定数の発散（𝛼→∞）を引き起こし、CDWはほぼ不動的かつエネルギー的に有利になる。
• TI双極子子状態のエネルギーは、𝒫 = 𝒫𝐶𝐷𝑊 でδ関数型の最小値を示し、CDW形成が基底状態であることを確認する。
• CDWは臨界温度以下で超伝導と共存するが、すべてのTI双極子子が一つのボーズ＝アインシュタイン状態に凝縮するため、絶対零度で消える。
• 条件 𝒫𝐶𝐷𝑊 = 𝒫𝑃𝐷𝑊 により、CDWとPDWの記述が統一され、理論における主要な違いが解消される。
• 本モデルは、銅酸化物系におけるノード方向にギャップが存在しない現象を、フォノン周波数の消失（𝜔0 = 0）の直接的兆候として説明できる。