[논문 리뷰] Generalization of BCS theory to short coherence length superconductors: A BCS--Bose-Einstein crossover scenario

Qijin Chen|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 19.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 2인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 짧은 코herence 길이를 가진 초전도체에 대해 BCS 이론을 일반화하기 위해 BCS–보즈아인슈타인 응축(BEC) 교차 프레임워크를 사용한다. 이 프레임워크는 유한한 운동량을 가진 쌍과 단일 입자를 동등하게 다룬다. 이 이론은 열린 구멍 도핑된 컵레이트에서의 특이한 순서 매개변수 Δsc와 갭 Δ을 설명하며, 위상도, 침투 깊이, 열용량을 정량적으로 재현하고, 실험과 일치하는 저온 영역의 거듭제곱 법칙을 예측한다.

ABSTRACT

The (mean field based) BCS theory is considered one of the most successful theories in condensed matter physics. It is justified in ordinary metal superconductors the coherence length $ξ$ is large, with two important features: the order parameter (OP) and excitation gap (EG) are identical, and the pair formation and their Bose condensation take place at the same temperature Tc. It fails to explain the underdoped cuprate superconductivity: EG is finite at Tc and thus distinct from OP. Since these superconductors belong to a large class of small $ξ$ materials, this failure has the potential for widespread impact. Here we have extended BCS theory in a natural way to short $ξ$ superconductors, based on a BCS--BEC crossover scenario, and arrived at a simple physical picture in which incoherent, finite momentum pairs become progressively more important as the pairing interaction becomes stronger, leading to the distinction between EG and OP. The superconductivity from the fermionic perspective and BEC from the bosonic perspective are just two sides of the same coin. Our theory is capable of making verifiable quantitative predictions. We obtain a cuprate phase diagram (with one free parameter) , in (semi-)quantitative agreement with experiment. The mutually compensating contributions from fermionic quasiparticles and bosonic pair excitations provides a natural explanation for the quasi-universal behavior of the in-plane superfluid density versus T. Our bosonic pair excitations also provide an intrinsic mechanism for the long mysterious linear T terms in the specific heat. Incoherent pair contributions lead to new low T power laws, consistent with existing experiments. Finally, we demonstrated that the onset of superconducting long range order leads to sharp features in the specific heat at Tc, consistent with experiment.

연구 동기 및 목표

• 약한 결합 영역을 넘어서 짧은 코herence 길이를 가진 초전도체를 기술하기 위해 BCS 이론을 확장하는 것.
• 표준 BCS 이론이 열린 구멍 도핑된 컵레이트에서의 별개의 순서 매개변수와 갭을 설명하지 못하는 데서 기인하는 실패를 해결하는 것.
• 페르미온 초전도성과 보스온 BEC가 동일한 현상의 두 가지 시각인 통합된 프레임워크를 제공하는 것.
• 침투 깊이나 열용량과 같은 실험적 관측량을 정량적으로 예측하는 것.
• 비결합 쌍 자극에 의해 기인하는 특정 열용량의 선형-T 항과 저온 영역의 거듭제곱 법칙의 기원을 설명하는 것.

제안 방법

• 임의의 쌍성 강도에 대해 유효한 BCS–보즈아인슈타인 응축 교차 형식을 개발한다.
• Dyson 방정식과 T-행렬 접근법을 사용하여 평균장 BCS를 넘어서는 쌍 상관관계를 기술한다.
• 자기적으로 일관된 평균장 방법에서 단일 입자 준입자와 유한한 운동량 쿠퍼 쌍을 동등하게 다룬다.
• Tc 이하의 유한한 온도에서 비결합 쌍 기여를 비정상 상태를 통해 통합한다.
• 정상 상태의 안정성 조건에서 초전도 전이 온도 Tc를 유도한다.
• 실험적 위상도를 맞추고 물리적 양을 추출하기 위해 한 개의 자유 매개변수를 사용하여 컵레이트에 이 형식을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BCS 이론은 어떻게 짧은 코herence 길이를 가진 초전도체를 기술하기 위해 일반화될 수 있는가?
• RQ2 열린 구멍 도핑된 컵레이트에서 별개의 순서 매개변수 Δsc와 갭 Δ의 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ3 통합된 BCS–보즈아인슈타인 응축 교차 프레임워크는 고-TC 초전도체의 열역학적 성질을 정량적으로 기술할 수 있는가?
• RQ4 비결합, 유한한 운동량 쌍은 저온 영역의 열용량 이질성 결정에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 페르미온 준입자 기여와 보스온 쌍 진동수의 기여가 초유체 밀도의 준일반성 행동을 어떻게 함께 설명하는가?

주요 결과

• 이론은 한 개의 자유 매개변수를 사용하여 컵레이트의 위상도를 정량적으로 재현하며, 구멍 도핑 범위 전역에서 실험 데이터와 일치한다.
• 정규화된 평면 내 초유체 밀도는 감소한 온도의 함수로 준일반성 행동를 보이며, 준입자와 쌍 진동수의 상쇄 기여에 의해 설명된다.
• 열용량의 선형-T 항은 비결합 쌍 채널 내 보스온 쌍 진동수에서 내재적으로 기인한다.
• 저온 영역의 열용량 거듭제곱 법칙은 비결합 쌍 기여에서 유도되며, 기존 실험 관측과 일치한다.
• Tc에서의 열용량의 날카운 특징은 장거리 초전도 주기의 도입으로 인해 발생한다. 이는 갭이 매끄럽게 유지되더라도 실험 관측과 일치한다.
• Δ과 Δsc의 구분은 쌍성 강도가 증가함에 따라 유한한 운동량 쌍의 지배적 기여가 증가함에 따라 물리적으로 기인한다.