[논문 리뷰] Strong coupling s-wave superconductors in the extreme Pauli limit: I.The breached pair and metastable FFLO phases

Madhuparna Karmakar, Pinaki Majumdar|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 14.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 강한 자기장 하에서 인력 허버드 모형의 s-파형 초전도성에 대해 강한 파울리 한계에서 궤도 쌍 파괴가 무시할 만큼 작은 조건에서 초전도성의 특성을 조사한다. 유한 온도 양자 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 중간 자기장에서의 파괴된 쌍 상태와 고자기장에서의 준안정 FFLO 상태를 포함한 풍부한 상도도를 규명하였으며, 평균장 추정치보다 약 수십 배 낮은 Tc를 보이며 직접 측정 가능한 자기 구조 인자가 존재함을 밝혀냈다.

ABSTRACT

We study s-wave superconductivity in the attractive Hubbard model in an applied magnetic field and assume the extreme Pauli limit where the orbital critical field is much greater than the Zeeman critical field. We work at a coupling corresponding roughly to the peak $T_c$ in the BCS to BEC crossover window and retain the crucial amplitude and phase fluctuations. At low field, as expected, the superconductor undergoes a second order thermal transition to the normal state, and is only weakly magnetized near $T_c$. At intermediate fields the thermal transition is still second order, but the magnetization is significantly larger, characteristic of a `breached pair' state. At strong field, the thermal transition is first order and our Monte Carlo reveals the presence of a metastable Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) state. At even higher fields we observe the true FFLO ground state. We present the full `field-temperature' phase diagram of this strong coupling problem, revealing $T_c$ scales an order of magnitude below the mean field estimate, compute the superconducting and magnetic order parameters, and map out the directly measurable magnetic structure factor. We compare these trends to results on the Pauli limited heavy fermion CeCoIn$_5$, and the cold atomic Fermi gas at unitarity. This paper focuses primarily on the homogeneous superconducting state, another deals with thermal effects in the FFLO regime.

연구 동기 및 목표

• 강한 결합 s-파형 초전도체가 궤도 쌍 파괴가 무시할 수 있을 정도로 작은 극한의 파울리 한계에서 어떻게 행동하는지 이해하는 것.
• BCS-BEC 교차 영역에서 초전도성 쌍 형성과 자기장 효과 간의 상호작용을 조사하는 것.
• FFLO 상태의 출현과 파괴된 쌍 상태를 포함한 전체 자기장-온도 상도도를 그려내는 것.
• 강한 빈도 변동이 존재하는 조건에서 측정 가능한 물리량, 예를 들어 자기 구조 인자와 초전도성 오더 파라미터를 계산하는 것.
• CeCoIn5와 같은 실험 시스템 및 유니터리 조건에서의 초냉각 페르미 기체와의 비교를 통해 결과를 분석하는 것.

제안 방법

• 유한 온도 양자 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 자기장이 작용하는 인력 허버드 모형을 연구한다.
• 강한 결합 물리학에서 필수적인 초전도성 오더 파라미터의 진폭과 위상 변동을 모두 유지한다.
• 궤도 임계 자기장이 자오른 자기장보다 훨씬 크도록 설정하여 극한의 파울리 한계를 확보함으로써 파울리 쌍 파괴 효과만을 분리한다.
• 다양한 자기장과 온도에서 초전도성 및 자기 오더 파라미터를 분석함으로써 자기장-온도 상도도를 구성한다.
• FFLO 및 파괴된 쌍 상태를 탐지하기 위해 직접 측정 가능한 물리량으로서의 자기 구조 인자를 계산한다.
• 1차 전이와 2차 전이 간의 차이를 분석하여 준안정 FFLO 상태의 발생 시점을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 극한의 파울리 한계에서 자기장이 증가함에 따라 초전도 전이가 2차 전이에서 1차 전이로 어떻게 변화하는가?
• RQ2 중간 자기장에서의 초전도 상태는 어떤 성질을 가지며, 파괴된 쌍 상태의 특성을 보이는가?
• RQ3 고자기장 하에서 강한 결합 s-파형 초전도체에 준안정 FFLO 상태가 존재하는가?
• RQ4 강한 빈도 변동이 존재할 경우, 임계 온도 Tc는 평균장 추정치에 비해 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 FFLO 및 파괴된 쌍 상태에서 실험적으로 관측 가능한 서명, 예를 들어 자기 구조 인자는 무엇인가?

주요 결과

• 강한 진폭 및 위상 변동으로 인해 임계 온도 Tc가 평균장 추정치보다 약 수십 배 낮아진다.
• 중간 자기장에서 시스템은 상당한 자화를 보이며, 파괴된 쌍 상태의 특징을 띠는 2차 전이를 나타낸다.
• 고자기장에서 열전이가 1차 전이로 변화하고, 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 준안정 FFLO 상태의 존재가 확인된다.
• 더 높은 자기장에서는 진정한 FFLO 기저 상태가 식별되어 강한 결합 영역에서의 안정성을 확인한다.
• 자기 구조 인자가 계산되었으며, 이는 FFLO 상태와 파괴된 쌍 상태를 구분하는 핵심 관측 가능 물리량임을 규명하였다.
• 전체 자기장-온도 상도도가 그려졌으며, 초전도성 쌍 형성과 자기장 효과 간의 복잡한 상호작용이 드러났다.