[논문 리뷰] Magnetic-field Induced Interconversion of Cooper Pairs and Density Wave States within Cuprate Composite Order

Mohammad Hamidian, Edkins, S. D.외 9명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 03.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 코팅제 초전도체에서 스캐닝 턨널링 현미경(STM)을 이용한 계면분해 해상도 영상 분석을 통해 자석장에 의해 쿠퍼 쌍과 밀도파(DW) 상태 간의 상호변환이 일어남을 입증하며, 비틀림형 요소가 있는 밀도파 순서가 비틀림형으로 강력하게 유지되는 것을 밝혀내었다. 이 결과들은 복합 순서 이론에서 예측한 8개의 운동량 공간 위치에서 정확히 초전도성(Sc)-밀도파(DW) 전환이 발생하는 직접적인 미시적 증거를 제공한다.

ABSTRACT

Recent studies establish that the cuprate pseudogap phase is susceptible at low temperatures to forming not only a $d$-symmetry superconducting (SC) state, but also a $d$-symmetry form factor (dFF) density wave (DW) state. The concurrent emergence of such distinct and unusual states from the pseudogap motivates theories that they are "intertwined" i.e derived from a quantum composite of dissimilar broken-symmetry orders. Some composite order theories predict that the balance between the different components can be altered, for example at superconducting vortex cores. Here, we introduce sublattice phase-resolved electronic structure imaging as a function of magnetic field and find robust dFF DW states induced at each vortex. They are predominantly unidirectional and co-oriented (nematic), exhibiting strong spatial-phase coherence. At each vortex we also detect the field-induced conversion of the SC to DW components and demonstrate that this occurs at precisely the eight momentum-space locations predicted in many composite order theories. These data provided direct microscopic evidence for the existence of composite order in the cuprates, and new indications of how the DW state becomes long-range ordered in high magnetic fields.

연구 동기 및 목표

• 자기장 하에서 코팅제의 준가역상에서 초전도성(Sc)과 밀도파(DW) 순서 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 최근의 양자 이론에서 예측한 바와 같이, 복합 순서 기초 상태를 통해 Sc와 DW 상태가 서로 얽혀 있는지 테스트하기 위해.
• 자기장이 비틀림핵에서 Sc와 DW 성분 간의 미시적 상호변환을 유도할 수 있는지 확인하기 위해.
• 비틀림핵 존재 시 유도된 DW 상태의 공간적 위상 일관성과 대칭성을 조사하기 위해.
• 고온 초전도체에서 복합 순서에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공하기 위해.

제안 방법

• 현미경 해상도의 국소 전자 상태를 맵핑하기 위해 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 이용한 계면분해 위상 해상도 전자 구조 영상 분석을 수행하기 위해.
• 비틀림핵을 유도하고 전자 재구성의 자기장 의존성을 조사하기 위해 자기장을 적용하기 위해.
• STM 데이터의 푸리에 변환을 통해 운동량 공간의 구조를 분석하고, d형 요소(dFF) 밀도파 순서를 식별하기 위해.
• 관측된 자기장 유도 DW 상태를 복합 순서 상에 대한 이론 예측과 비교하기 위해.
• Sc-에서 DW로의 전환이 예측되고 관측된 8개의 별개의 운동량 공간 위치를 확인하기 위해.
• 장거리 순서가 유지되는지 확인하기 위해 공간 위상 일관성 분석을 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기장은 코팅제에서 초전도성과 밀도파 상태 간의 미시적 상호변환을 일으킬 수 있는가?
• RQ2 관측된 자기장 유도 밀도파 상태는 공간 위상 일관성과 비대칭(일방향) 순서를 보이는가?
• RQ3 Sc와 DW 성분 간의 자기장 유도 전환은 복합 순서 이론의 예측과 일치하는가?
• RQ4 운동량 공간에서 Sc-에서 DW로의 전환 위치는 복합 순서 모델이 예측한 8개의 점과 정확히 일치하는가?
• RQ5 비틀림핵에서 밀도파 순서가 나타나는 것은 복합 순서 기초 상태의 증거가 되는가?

주요 결과

• 자기장 하에서 각 비틀림핵에 강력한 공간 위상 일관성을 보이는 d형 요소(dFF) 밀도파 상태가 유도된다.
• 유도된 DW 상태는 주로 일방향적이며, 같은 방향으로 정렬되어 있어 장거리 순서를 나타낸다.
• 자기장에 의해 초전도성에서 밀도파 성분으로의 전환이 정확히 8개의 운동량 공간 위치에서 발생하며, 이는 이론 예측과 일치한다.
• 데이터는 Sc와 DW 순서가 얽혀 있는 복합 순서가 코팅제에 존재함을 직접적인 미시적 증거로 제공한다.
• 결과는 고자기장이 이 상호변환 메커니즘을 통해 장거리 순서를 가진 밀도파 상태를 안정화시킬 수 있음을 시사한다.
• 이 연구의 결론은 arXiv:1802.04673에서 향상된 데이터에 의해 대체되었지만, 원래의 발견은 복합 순서 연구에 기초적인 기여를 한다.