[논문 리뷰] Disorder- and Field-Induced Antiferromagnetism in Cuprate Superconductors

Markus Schmid, Brian M. Andersen외 2명|arXiv (Cornell University)|2009. 12. 15.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 39인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 불완전 도핑된 구프레이트 초전도체에서, 비정상성과 자기장이 d-파일 초전도성의 억제가 아니라 상관관계에 의해 유도되는 안데레프 결합 상태의 분리에 의해 반자성 순서가 유도된다고 제안한다. 이 메커니즘은 d-파일 대칭성에 기인하여 오더 파am터의 부호 변화를 초래하며, 불순물과 비트론 주위에 국소적인 스핀 밀도 파동(SDW) 덩어리가 형성된다. 핵심 결과는 반-phase 도메인 벽이 중성자 탐지 가능한 자성의 정확한 온도 의존성을 재현하는 데 필수적이라는 것이다.

ABSTRACT

The underdoped high-Tc materials are characterized by a competition between Cooper pairing and antiferromagnetic (AF) order. Important differences between the superconducting (SC) state of these materials and conventional superconductors include the d-wave pairing symmetry and a remarkable magnetic response to nonmagnetic perturbations, whereby droplets of spin-density wave (SDW) order can form around impurities and the cores of vortices. In a simple picture, whenever SC is suppressed locally, SDW order is nucleated. Within a mean-field theory of d-wave SC in an applied magnetic field including disorder and Hubbard correlations, we show in fact that the creation of SDW order is not simply due to suppression of the SC order parameter, but rather due to a correlation-induced splitting of the electronic bound state created by the perturbation. Since the bound state exists because of the sign change of the order parameter along quasiparticle trajectories, the induced SDW order is a direct consequence of the d-wave symmetry. Furthermore the formation of anti-phase domain walls is important for obtaining the correct temperature dependence of the induced magnetism as measured by neutron diffraction.

연구 동기 및 목표

• 불완전 도핑된 구프레이트에서 자기장 및 불순물에 의해 유도되는 반자성 순서의 미시적 기원을 이해하는 것.
• 중성자 산란에서 관측된 온도 의존성의 다름을 반영하여, 영자기장 상태와 자기장 유도 상태 간의 모순을 해결하는 것.
• 유도된 자성이 초전도성 억제에서 비롯되는지, 아니면 내재된 전자 상관관계와 대칭성 효과에서 기인하는지 명확히 하는 것.
• 반-phase 도메인 벽이 유도된 자성의 온도 변화를 정확히 기록하는 데 수행하는 역할을 확립하는 것.

제안 방법

• 허버드 상관관계, 불순물, 외부 자기장을 포함한 시스템에 대해 d-파일 초전도성의 평균장 이론을 적용한다.
• 모델은 초전도 오더 파라미터를 억제하는 국소적 교란으로서 자기 불순물과 비트론을 포함한다.
• 안데레프 결합 상태는 보골리우브-데仍是 형식을 사용하여 분석되며, 궤도 효과를 고려하기 위해 자기 블로흐 정리에 따라 파동함수를 변환한다.
• 국소 자화의 푸리에 변환을 통해 자성 구조 인자 |M(q)|²을 계산하며, 스핀-스핀 상관관계의 인자화를 통해 근사한다.
• 주기적 경계 조건을 사용하여 유한 격자에서 문제를 해결하고, 자기류 양자화를 처리하기 위해 슈퍼셀 방법을 사용한다.
• 다양한 상호작용 및 불순물 매개변수에 대해 국소 스핀 균형 ⟨σiᶻ⟩를 계산하여 유도된 자성의 온도 의존성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 불완전 도핑된 구프레이트에서 초전도성이 국소적으로 억제되더라도 비트론 핵심부와 불순물 주변에서 반자성 순서가 나타나는가?
• RQ2 왜 자기장 하에서 비공명 SDW 순서의 온도 의존적 강화가 발생하는가?
• RQ3 d-파일 쌍화 대칭성이 결합 상태 형성과 그 다음의 스핀 밀도 파동 순서에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 영자기장 상태와 자기장 유도 상태 간의 자성 반응은 Tc에서 모두 사라지지만 온도 의존성에서 다름에도 불구하고 서로 다를까?
• RQ5 반-phase 도메인 벽은 관측된 자성 순서를 안정화시키고 실험적 중성자 데이터와 일치시키는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 스핀 밀도 파동(SDW) 순서의 형성은 d-파일 초전도 오더 파라미터의 억제 때문만은 아니며, 안데레프 결합 상태의 상관관계에 의해 유도된 분리에 기인한다.
• 유도된 자성은 d-파일 대칭성과 직접적으로 연결되어 있으며, 쿼라파티클 궤적을 따라 오더 파라미터의 부호 변화가 결합 상태 분리와 국소 자화 모멘트를 초래한다.
• 영자기장 상태에서는 불순물이 순수 시스템의 반자성 상관 길이와 일치하는 크기의 국소 SDW 덩어리를 유도하며, 자화의 실공간 시각화로 확인된다.
• 자기장을 적용하면 SDW 순서가 강화되며, 특히 비트론 핵심부 근처에서 더욱 두드러지게 나타나고, 초전도 오더 파라미터가 약하게 억제되는 영역으로도 확장된다.
• 반-phase 도메인 벽이 모델에 포함되지 않은 경우, 유도된 자성의 온도 의존성이 정확히 재현되지 않으며, 중성자 회절 데이터와 일치하지 않는다.
• 자화의 푸리에 변환을 통해 계산된 자성 구조 인자 |M(q)|²는 (π,π)에서 피크를 보이며, 자기장 하에서의 비공명 SDW 순서에 대한 실험 관측과 일치한다.