[논문 리뷰] Charge order and loop currents in hole-doped cuprates

Yuxuan Wang, Andrey V. Chubukov|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 03.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 구멍 도핑된 코발트산염에서 자기적으로 매개되는 상호작용이 d파동 초전도성과 비공명성 운동량 Qx = (2Q,0) 및 Qy = (0,2Q)를 가지는 전하 서열을 이끌어내며, 시간역전칭 대칭을 깨고 순환 전류를 유도하는 스트립 유형의 전하 서열을 형성한다고 제안한다. 순환 전류 서열은 더 높은 온도 T* > TmCDW에서 나타나며 총 운동량이 0인 복합 서열을 형성하고, 유한 도핑에서 두 번째 양자临계점(quantum critical point)을 설정하며, 스핀 변동 시나리오를 완성한다.

ABSTRACT

We analyze charge order in hole-doped cuprates. We show that magnetically-mediated interaction, which is known to give rise to non-Fermi liquid behavior in the normal state and $d$-wave superconductivity, also gives rise to charge order with momenta $Q_x =(2Q,0)$ and $Q_y =(0,2Q)$, as seen in the experiments. We show that the emerging charge order is of stripe type (it appears with $Q_x$ or $Q_y$, but not with both). We further show that a stripe charge order parameter has two components: one is incommensurate density variation, another is incommensurate current. Such an order breaks time reversal symmetry and generates loop currents. We show that loop current order sets up at a higher $T^* > T_{ m CDW}$, when the density and the current components form a composite order with zero total momentum. We further show that $T_{ m CDW} (x)$ and $T^*(x)$ terminate at $T=0$ at some finite doping $x and set up the second quantum critical point at some distance away from the magnetic one. We argue that our theory provides the missing link in the spin-fluctuation scenario for the cuprates.

연구 동기 및 목표

• 구멍 도핑된 코발트산염에서 관측된 운동량 Qx = (2Q,0) 및 Qy = (0,2Q)를 가지는 전하 서열의 기원을 설명하는 것.
• 해당 전하 서열이 시간역전칭 대칭을 어떻게 깨고 순환 전류를 생성하는지 명확히 하는 것.
• 순환 전류 서열과 전하 밀도 파동 서열의 온도 계층 T* > TmCDW를 확립하는 것.
• 유한 도핑에서 두 번째 양자临계점이 존재함을 밝히며, 자성 임계점과는 다름을 확인하는 것.
• 초전도성, 전하 서열, 순환 전류를 통합된 메커니즘으로 연결함으로써 스핀 변동 시나리오를 완성하는 것.

제안 방법

• 구멍 도핑된 코발트산염의 정상 상태에서 스핀 변동 프레임워크를 사용하여 자기적으로 매개되는 전자 상호작용을 분석한다.
• 스핀 변동 교환 상호작용으로부터 Qx 및 Qy 운동량을 가지는 전하 서열의 기원을 도출한다.
• 전하 서열 파라미터가 두 성분으로 구성되어 있음을 식별한다: 비공명성 밀도 조절과 비공명성 전류.
• 밀도 성분과 전류 성분의 복합 서열이 총 운동량이 0인 상태를 형성하여 T*에서 순환 전류 서열이 나타나게 함을 보여준다.
• 평균장 이론과 대칭성 분석을 사용하여 전류 성분으로 인한 시간역전칭 대칭 깨짐을 입증한다.
• TmCDW(x)와 T*(x)의 온도 의존성을 결정하여, 이들이 비제로 도핑 x에서 T=0에서 종료됨을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 구멍 도핑된 코발트산염에서 운동량 Qx = (2Q,0) 및 Qy = (0,2Q)를 가지는 전하 서열이 형성되는가?
• RQ2 비공명성 밀도와 전류 성분이 동시에 존재할 경우 시간역전칭 대칭 깨짐과 순환 전류가 어떻게 유도되는가?
• RQ3 왜 순환 전류 서열은 전하 밀도 파동 전이 온도 TmCDW보다 높은 온도 T*에서 나타나는가?
• RQ4 밀도 성분과 전류 성분이 복합 서열 파라미터를 형성함으로써 순환 전류를 어떻게 안정화시키는가?
• RQ5 TmCDW(x)와 T*(x)는 도핑에 따라 어떻게 변화하며, 이들이 T=0에서 종료되는 것은 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• 구멍 도핑된 코발트산염의 전하 서열은 관측된 Qx 및 Qy 운동량과 일치하는 자기적으로 매개되는 상호작용에서 기인한다.
• 전하 서열은 스트립 유형이며, Qx 또는 Qy 중 하나에서만 나타나며 동시에 두 개가 나타나지는 않는다.
• 전하 서열 파라미터는 두 성분으로 구성되어 있다: 비공명성 밀도 조절과 비공명성 전류로, 시간역전칭 대칭을 깨뜨린다.
• 총 운동량이 0인 복합 서열으로 인해 순환 전류 서열이 더 높은 온도 T* > TmCDW에서 나타난다.
• TmCDW(x)와 T*(x)는 모두 비제로 도핑 x에서 T=0에서 종료되며, 자성 임계점과는 다름을 보여주는 두 번째 양자临계점이 있음을 시사한다.
• 이 이론은 초전도성, 전하 서열, 순환 전류를 공통된 자기 상호작용 메커니즘으로 통합함으로써 스핀 변동 시나리오를 완성한다.