[논문 리뷰] Superfluid density reveals a quantum critical point between d-wave superconductivity and a Mott insulator

D. M. Broun, P. Turner외 6명|arXiv (Cornell University)|2005. 09. 08.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 3 K에서 17 K의 T_c를 가진 37개의 과도하게 저도핑된 YBCO에서 2.64 GHz에서 초유체 밀도 rho_s(T)를 측정한다. T_c 근처에서 임계 변동성이 없음을 발견하였으며, 대신 rho_s ~ (p - p_c), T_c ~ (p - p_c)^1/2, rho_s(T) ~ (T_c - T)^1로 나타나는 양자临계점(p_c)이 존재함을 지지한다. 이는 (3+1)-차원 XY 보편성 클래스의 거동와 일치한다.

ABSTRACT

The superfluid density rho_s(T) = 1/lambda^2(T) has been measured at 2.64 GHz in highly underdoped YBCO, at 37 dopings with T_c between 3 K and 17 K. Within limits set by the transition width Delta T_c ~ 0.4 K, rho_s(T) shows no evidence of critical fluctuations as T goes to T_c, with a mean-field-like transition and no indication of vortex unbinding. Instead, we propose that rho_s displays the behaviour expected for a quantum phase transition in the (3 + 1)-dimensional XY universality class, with rho_s0 ~ (p - p_c), T_c ~ (p - p_c)^1/2 and rho_s(T) ~ (T_c - T)^1 as T goes to T_c.

연구 동기 및 목표

• 고도로 저도핑된 YBCO에서 양자临계점 근처 초전도 전이의 성격을 조사하기 위해.
• 초유체 밀도 rho_s(T)에서 T_c 근처에서 임계 변동성 또는 평균장 행동이 지배하는지 확인하기 위해.
• 관측된 T_c 및 rho_s(T)의 스케일링이 (3+1)-차원 XY 보편성 클래스와 일치하는지 테스트하기 위해.
• d-파형 초전도체와 모트 절연체를 분리하는 양자临계점의 존재를 규명하기 위해.

제안 방법

• T_c가 3 K에서 17 K 사이인 37개의 저도핑 YBCO 샘플에서 2.64 GHz에서 마이크로파 기술을 사용하여 초유체 밀도 rho_s(T)를 측정한다.
• London 침투 깊이에서 rho_s(T)를 추출하기 위해 lambda^2(T) = 1/rho_s(T)를 사용한다.
• T가 T_c에 가까워질수록 rho_s(T)의 스케일링을 분석하여 임계 변동성 또는 평균장 행동을 시험한다.
• (3+1)-차원 XY 보편성 클래스의 예측과 관측된 T_c 및 rho_s(T)의 스케일링을 비교한다: T_c ~ (p - p_c)^1/2 및 rho_s(T) ~ (T_c - T)^1.
• 전이 폭 ΔT_c ~ 0.4 K를 평가하여 임계 변동성을 가리킬 수 있는 넓어짐 효과를 배제한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고도로 저도핑된 YBCO에서 T가 T_c에 접근함에 따라 초유체 밀도 rho_s(T)가 임계 변동성을 보이는가?
• RQ2 관측된 T_c 및 rho_s(T)의 스케일링은 (3+1)-차원 XY 보편성 클래스와 일치하는가?
• RQ3 임계 변동성이 없는 것은 rho_s ~ (p - p_c)를 보이는 p_c에서의 양자临계점 존재를 의미하는가?
• RQ4 데이터는 평균장 이론 또는 비오르트의 해리로 설명될 수 있는가, 아니면 오히려 양자상전이를 지지하는가?

주요 결과

• 전이 폭이 ΔT_c ~ 0.4 K로 매우 좁음에도 불구하고, T가 T_c에 접근함에 따라 rho_s(T)에서 임계 변동성의 증거는 관찰되지 않는다.
• T → T_c에 가까워질수록 초유체 밀도는 (T_c - T)에 선형적으로 스케일링되며, 이는 (3+1)-차원 XY 보편성 클래스와 일치한다.
• T_c는 (p - p_c)^1/2에 비례하여 스케일링되며, 이는 임계 도핑 p_c에서 양자临계점이 존재함을 나타낸다.
• 영온도에서의 초유체 밀도 rho_s0는 (p - p_c)에 선형적으로 스케일링되며, 이는 양자临계점 스케일링을 지지한다.
• 비오르트의 해리 및 평균장 유사 행동의 부재는 전이에 대한 전통적인 설명을 배제한다.