[논문 리뷰] Superconducting dome in doped quasi-2d organic Mott insulators: a paradigm for strongly-correlated superconductivity

Charles-David Hébert, P. Sémon외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 23.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 플라켓셀 큐빅 동역학 평균장 이론과 연속시간 양자 몽테카를로를 사용하여, 도핑된 2차원 유사 평면 유기 모트 절연체에서 초전도성은 반강자성 양자临계점이 아니라, 가짜간극 금속과 상관 금속 사이의 1차 전이에 의해 발생함을 보여준다. 초전도 도메인은 반도체 상태에서의 반도체 전이가 도핑 영역으로 연장됨에 따라 반도체 전이와 연결되어 있으며, 반도체 물리학과 유사하다. 유한 도핑 상태에서 임계온도 Tc는 반도체 상태의 약 25% 높아지고, U/t 범위는 넓어지며, 이는 코프레이트 물리학과 유사하다.

ABSTRACT

Layered organic superconductors of the BEDT family are model systems for the interplay of the Mott transition with superconductivity, magnetic order and frustration. Recent experimental studies on a hole-doped version of BEDT compounds reveal an enhancement of superconductivity and a rapid crossover between two different conducting phases above the superconducting dome. One of these phases is a Fermi liquid, the other not. Using plaquette cellular dynamical mean field theory with state of the art continuous-time quantum Monte Carlo calculations, we study this problem with the two-dimensional Hubbard model on the anisotropic triangular lattice. Phase diagrams as a function of temperature $T$ and interaction strength $U/t$ are obtained for anisotropy parameters $t'=0.4t$, $t'=0.8t$ and various fillings. As for cuprates, we find, at finite doping, a first-order transition between two normal-state phases. For $T$ above the critical point of the first-order transition, there is a Widom line where crossovers occur. The results are in broad agreement with experiment. This suggests that for compounds with intermediate to high frustration, very light-doping should reveal the first-order transition and associated crossovers. These crossovers could leave traces in the superconducting phase. We also predict that destroying the superconducting phase by a magnetic field should reveal the first-order transition. Finally, we predict that electron-doping should also lead to an increased range of $U/t$ for superconductivity but with a reduced maximum $T_c$. This work also clearly shows that the superconducting dome here is tied to the Mott transition and its continuation as a transition separating pseudogap phase from correlated metal in doped compounds, as in the cuprates. Contrary to heavy fermions for example, the maximum $T_c$ is definitely not attached to an antiferromagnetic quantum critical point.

연구 동기 및 목표

• 도핑된 2차원 유사 평면 유기 모트 절연체, 특히 홀 도핑된 BEDT 기반 화합물에서 초전도 도메인의 기원을 이해하는 것.
• 실험적으로 관측된 초전도성 향상과 정상상 전이가 반강자성 양자 임계점과 관련이 있는지, 아니면 모트 전이와 관련이 있는지 규명하는 것.
• 전자적 난이도(비율 t′/t를 통해)가 자성 질서의 억제와 초전도성 및 정상상 상의 변화에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 초전도 상태에서의 1차 전이의 서명을 초전도성 억제와 자기장 하에서 탐지하는 것.
• 강한 상호작용 초전도성의 맥락에서 홀 도핑 및 전자 도핑 시스템의 행동을 비교하는 것.

제안 방법

• 이중 투과성 허브 모델을 이방성 삼각형 격자에서 풀기 위해 플라켓셀 큐빅 동역학 평균장 이론(CDMFT)을 사용한다.
• 자기에너지와 그린 함수를 고정밀도로 계산하기 위해 연속시간 양자 몽테카를로(CTQMC) 계산을 활용한다.
• 온도 T, 상호작용 강도 U/t, 채움 비율 n, 난이도 매개변수 t′/t(0.4t, 0.8t)에 따라 상도표를 계산한다.
• 열역학적 및 스펙트럼 분석을 통해 가짜간극 상과 금속 상 사이의 1차 전이 존재를 확인한다.
• 임계점 위에서의 전이 행동을 나타내는 위도프 선을 T–U/t 평면에 그린다.
• 전자 도핑의 영향을 홀 도핑과 비교하여 초전도성 행동의 대칭성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도핑된 유기 모트 절연체에서의 초전도 도메인은 반강자성 양자 임계점에서 기인하는가, 아니면 모트 전이의 연장선에서 기인하는가?
• RQ2 난이도(t′/t)는 자성 질서 억제와 초전도성의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 정상 상태에서 가짜간극 상과 금속 상 사이의 1차 전이가 자기장에 의해 초전도성을 억제함으로써 탐지될 수 있는가?
• RQ4 왜 도핑된 화합물에서 반도체 상태에 비해 초전도 도메인이 더 넓고 Tc가 더 높은가?
• RQ5 전자 도핑은 최대 Tc와 초전도성에 대한 U/t 범위에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 유한 도핑 상태에서 최대 초전도 임계온도 Tc,max은 반도체 상태의 값보다 약 25% 향상된다.
• 초전도성이 나타나는 U/t의 범위는 도핑된 화합물에서 크게 넓어지며, 특히 높은 난이도(t′/t = 0.8)에서 두드러진다.
• 유한 도핑과 저온에서 가짜간극 상과 상관 금속 사이의 1차 전이가 발생하며, 이는 반도체 상태에서의 모트 전이와 연속적으로 연결된다.
• 초전도 도메인은 반강자성 양자 임계점과 관련이 없으며, 최적 도핑 근처에서 장거리 반강자성 질서가 존재하지 않음으로써 확인된다.
• 자기장으로 초전도성을 억제할 경우, 경미하게 도핑되고 높은 난이도를 가진 화합물에서 정상 상태에서의 가짜간극 상과 금속 상 사이의 1차 전이가 드러날 것이다.
• 전자 도핑은 최대 Tc를 감소시킬 것으로 예측되지만, 여전히 초전도성에 대한 U/t의 범위를 넓히며, 코프레이트와는 다른 도핑 비대칭성을 나타낸다.