[논문 리뷰] Nodeless superconducting gap induced by a competing odd-parity Fulde-Ferrel-Larkin-Ovchinnikov superconductivity in deeply underdoped cuprates

Tanmoy Das|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 02.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 깊이로 구멍 드롭된 커퍼레이트에서, d-파장 초전도성과 안티페로자성과 동반되는 강력한 기현위상(Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov, FFLO) 삼중자 초전도 상태가 나타나며, 이 상태의 중심질량 운동량은 안티페로자성 파동수 Q=(π,π)에 위치한다. 이 FFLO 상태는 완전히 금속성인 준입자 스펙트럼을 유도하여 관측된 '절연체-유사' 전자 구조를 설명하며, 초전도 밀도의 지수적 온도 의존성을 주요 검증 가능한 서명으로 예측한다.

ABSTRACT

We develop a microscopic theory to show that the transition from an antiferromagnetic (AFM) phase to $d_{x^2-y^2}$-wave superconductivity occurs through the robust companion of a triplet superconductivity. More interestingly, the symmetry combination of AFM and $d$-wave superconducting (SC) phase prescribes the triplet state to be odd parity and Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) type with its center-of-mass momentum being single valued at the AFM wavevector ${\bf Q}=(\pi,\pi)$. Furthermore, the FFLO state produces a fully gapped quasiparticle spectrum which explains the recent observations of the `insulating'-like electronic structure of lightly doped cuprates in hole doping side. We have studied the stability of all three phases within the coupled self-consistent mean-field theory. Finally, we calculate the superfluid density to propose its exponential temperature dependence as a test to the SC origin of this `insulating' state, while the phase modulation of the FFLO state can be visualized by scanning probes. The results are generic to all uncoventional SC pairing symmetries including $s^{\pm}$ in pnictide and others.

연구 동기 및 목표

• 가벼운 구멍 드롭된 커퍼레이트에서 관측된 '절연체-유사' 전자 구조의 기원을 설명하기 위해, 이는 d-파장 초전도체에 대한 기대와 모순된다.
• 깊이로 구멍 드롭된 커퍼레이트에서 d-파장 초전도성과 안티페로자성과 동반되는 삼중자 초전도 상태의 탄생을 조사하기 위해.
• 특히 기현위상과 FFLO 특성을 포함한 삼중자 쌍결합 상태의 대칭성과 운동량 구조를 규명하기 위해.
• 자기적으로 일관된 평균장 이론을 통해 안티페로자성, d-파장 초전도성, 그리고 FFLO 삼중자 상의 공존 안정성을 확립하기 위해.
• 관측된 금속성 상태의 초전도 기원을 식별하기 위한 검증 가능한 서명으로서, 초전도 밀도의 지수적 온도 의존성을 제안하기 위해.

제안 방법

• 안티페로자성, d-파장 초전도성, 삼중자 초전도성 순서 매개변수를 동시에 다루기 위해 결합된 자기적으로 일관된 평균장 이론 기반의 미세한 이론 개발.
• 삼중자 쌍결합 상태가 기현위상이며, 중심질량 운동량이 안티페로자성 파동수 Q=(π,π)에 고정된 Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov(FFLO) 유형임을 규명.
• 대칭 분석을 통해 AFM와 d-파장 SC 상의 공존이 삼중자 상태를 기현위상, FFLO 유형의 쌍결합으로 강제함을 보여주며, 단일 값의 운동량을 가짐.
• 평균장 프레임워크 내에서 준입자 스펙트럼을 계산하여, d-파장 쌍결합에도 불구하고 완전히 금속성 상태의 탄생을 입증.
• 초전도 밀도를 온도 함수로 계산하여, FFLO 상태의 특징적인 지수적 온도 의존성을 유도.
• 스캐닝 프로브를 통해 FFLO 상태의 공간적 위상 조절을 시각화할 수 있으며, 이는 직접적인 실험적 서명을 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 깊이로 구멍 드롭된 커퍼레이트에서 d-파장 초전도성과 안티페로자성과 공존하는 삼중자 초전도 상태의 대칭성과 운동량 구조는 무엇인가?
• RQ2 안티페로자성과 d-파장 초전도 순서 매개변수의 공존이 기현위상, FFLO 유형의 삼중자 쌍결합 상태를 어떻게 강제하는가?
• RQ3 가벼운 도핑 상태에서 관측된 '절연체-유사' 준입자 스펙트럼은 이러한 FFLO 쌍결합 메커니즘에 의해 유도된 완전히 금속성 상태로 설명될 수 있는가?
• RQ4 이 FFLO 상태에서 초전도 밀도의 온도 의존성은 무엇이며, 전통적인 초전도체와 어떻게 다를까?
• RQ5 FFLO 상태의 위상 조절은 어떻게 실험적으로 탐지하고 다른 경쟁 상과 어떻게 구별할 수 있는가?

주요 결과

• 깊이로 구멍 드롭된 커퍼레이트에서 안티페로자성과 d-파장 초전도성의 공존은 강력한 기현위상 삼중자 초전도 상태의 탄생을 강제하며, 이 상태는 Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov(FFLO) 특성을 가진다.
• FFLO 상태는 안티페로자성 파동수 Q=(π,π)에 위치한 단일 값의 중심질량 운동량을 가지며, 이는 AFM와 d-파장 SC 상의 대칭 조합의 직접적 결과이다.
• FFLO 쌍결합은 완전히 금속성 준입자 스펙트럼을 유도하며, 이는 가벼운 도핑 상태에서 관측된 '절연체-유사' 전자 구조에 대한 미세한 설명을 제공한다.
• 이 상태에서의 초전도 밀도는 지수적 온도 의존성을 보이며, 금속성 상태의 초전도 기원을 식별하기 위한 특징적인 검증 가능한 서명으로 기능한다.
• 스캐닝 터널링 현미경(STM) 또는 기타 국소적 프로브를 통해 FFLO 상태의 공간적 위상 조절을 시각화할 수 있으며, 이는 상태를 직접적으로 탐지할 수 있는 실험적 경로를 제공한다.
• 이 이론적 프레임워크는 s±-파장 초전도체를 포함한 유사한 쌍결합 대칭을 가진 다른 비정상 초전도체에도 일반적으로 적용 가능하다.