[논문 리뷰] Quantum Phase Transition Induced by a Preformed Pair in a Boson-Fermion Model of Fulleride Superconductivity

Richard H. Squire, N. H. March|ArXiv.org|2008. 04. 09.

Fullerene Chemistry and Applications참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 보존 페어를 통해 유도되는 풀러라이드 초전도체에서의 양자상전이(QPT)를 제안하며, 보손-페르미온 프레임워크를 통해 모델링한다. 도핑을 조절하여 페시바 라이즈를 유도함으로써 정점 보정이 미그달 정리 위반을 일으켜 초전도성의 BCS 유형에서 BEC 유형(공명형)으로의 전이를 유도하며, 보존 페어가 스핀-less CDW 상태를 안정화시켜 BCS 쌍성성을 억제하면서도 공명 쌍성성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

There continues to be enormous interest in the BCS to BEC transition as there still is no exact theory. We recently reported a revealing reinterpretation of the condensed phase Boson-Fermion Model (BFM) by comparing it to a cold atom formulation [1]. While the ground and singly excited states appear to remain continuous in all models we have examined, the collective modes contain a singularity due to a Feshbach resonance (tuned by doping) causing a breakdown of the Migdal theorem. As a result of vertex corrections, there is a fundamental change in the nature of the superconductivity due to the formation of preformed pairs as the previously suggested location [1] of a quantum critical point in the fulleride phase diagram is passed. The result is a quantum phase transition (QPT) between BCS and BEC-like (or Feshbach resonance) superconductivity (SC). We discuss features of the resonance and the role of the experimentally observed preformed pair formation in fullerides, essential to the Boson-Fermion Model (BFM), and often speculated since the work of Nozieres and Schmitt-Rink [17]. Here, we present arguments to establish a model of the preformed pair which can be favorably compared to a circular charge density wave (CDW) isolated on a fulleride molecule. The binding is much larger than a Cooper pair. The CDW seems to be stabalized by splitting of the Jahn-Teller active vibrational modes to reduce Coulomb repulsions. Our conclusions are: 1) the doping of two electrons into triply degenerate orbitals results in the experimentally observed singlet state (CDW); and 2) this CDW (preformed pair) has a dual role as doping is varied: suppression of BCS SC and enabling a Feshbach resonance form of SC.

연구 동기 및 목표

• 풀러라이드에서 실험적으로 관측된 보존 페어 형성 현상을 통합된 이론적 프레임워크 내에서 설명하기.
• 풀러라이드에서 BCS 유형에서 BEC 유형으로의 초전도성 전이의 메커니즘 규명하기.
• 도핑에 의해 유도되는 페시바 라이즈가 양자상전이를 이끄는 역할 규명하기.
• C60 분자에서의 스핀-less 전하 밀도파(CDW) 형성과 보존 페어 안정화 간의 연관성 규명하기.
• 강한 상관효과 존재 시 정점 보정으로 인한 미그달 정리 붕괴 원인 규명하기.

제안 방법

• 보존 페어를 보손 자유도로 간주하여 풀러라이드에서의 전자 쌍성 현상을 기술하기 위해 보손-페르미온 모델(BFM)을 적용한다.
• 도핑으로 조절 가능한 페시바 라이즈를 도입하여 효과적 상호작용을 수정하고 양자임계점(quantum critical point)을 유도한다.
• 자기에너지에 정점 보정을 적용하여 미그달 정리 위반을 일으키고 초전도성 쌍성성의 성질을 변화시킨다.
• 보존 페어를 C60 분자 상의 국소화된 스핀-less CDW로 모델링하며, 절연도-불안정성 감소를 위한 자하-틀라 지단형 변형(Jahn-Teller distortion)에 의해 안정화된다.
• 평균장 접근법을 사용하여 BCS와 BEC 유형 초전도상 사이의 전이 분석한다.
• 냉각 기체 시스템과의 비교를 통해 페시바 라이즈 메커니즘의 타당성과 집단 모드에 미치는 영향을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 풀러라이드에서의 보존 페어 형성이 어떻게 BCS와 BEC 유형 초전도성 사이의 양자상전이를 유도하는가?
• RQ2 도핑이 보손-페르미온 모델에서 상전이를 이끄는 페시바 라이즈를 어떻게 조절하는가?
• RQ3 페시바 라이즈로 인한 정점 보정으로 인한 미그달 정리 붕괴가 초전도성 쌍성성 메커니즘에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 C60 상에서의 원형 전하 밀도파(CDW)는 보존 페어를 어떻게 안정화시키며 BCS 쌍성성을 억제하는가?
• RQ5 삼중도성 궤도에 두 전자를 도핑했을 때 관측되는 스핀-less 상태의 기원은 무엇인가?

주요 결과

• C60의 삼중도성 궤도에 두 전자를 도핑하면 실험 관측과 일치하는 안정된 스핀-less CDW 상태가 형성된다.
• CDW는 코oper 쌍보다도 훨씬 큰 결합 에너지를 지닌 보존 페어로 작용하며, 진동 모드의 자하-틀라 분리에 의해 안정화된다.
• 페시바 라이즈로 인한 정점 보정으로 인해 미그달 정리가 붕괴되며, 초전도성 쌍성성 메커니즘이 근본적으로 변화된다.
• 임계 도핑 농도에서 양자상전이가 발생하여 BCS 유형에서 페시바 라이즈 유형(BEC 유형) 초전도성으로의 전이가 일어난다.
• 보존 페어는 이중적인 역할을 한다: BCS 초전도성을 억제하면서도 페시바 메커니즘을 통해 공명형 초전도성을 가능하게 한다.
• 페시바 라이즈로 인해 집단 모드에 특이점이 나타나며, 이는 표준 섭동 처리의 붕괴를 시사하고 진정한 양자임계점의 존재를 확인한다.