[论文解读] Competition between Superconductivity and Charge Density Waves: the Role of Disorder

Alessandro Attanasi|ArXiv.org|Jun 5, 2009

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 62被引用 7

一句话总结

本文通过引入具有淬火无序的Ginzburg-Landau型唯象模型，研究了欠掺杂高温超导体中超导性（SC）与电荷密度波（CDW）之间的竞争。结果表明，无序稳定了与SC竞争的玻璃态CDW相，通过修正的刚度和赝能隙区内的涡旋样激发，解释了诸如巨近邻效应和前驱抗磁性等异常现象。

ABSTRACT

More recently STM experimets present firm evidence of some kind of charge modulation in underdoped cuprates. The peculiar observations of the above experiments are located in the so called pseudo-gap region of the phase diagram, just over the superconducting-dome. The model that will be used captures in a simple way the idea that the pseudo-gap phase is formed of bound fermion pairs which are close to a CDW instability but generally do not have long range order due to quenched disorder. Thus the charge degrees of freedom will be modeled by an Ising order parameter in the presence of quenched disorder, so representing a charge glassy phase. This glassy phase will be in competition with a superconducting phase modeled by a complex order parameter. As a first step we will study the model in one dimension without disorder to familiarize with it and also to search for a possible explanation of the Giant Proximity Effect (GPE). After that we will investigate numerically the ground state properties of the 2-dimensional lattice model, focusing our attention especially on the stiffness and magnetization of the system in the xy plane. We will show that disorder can induce superconductivity in a CDW phase. This picture is really interesting because it could show how an insulating system can produce a superconducting phase thank to the interplay with impurites.

研究动机与目标

• 理解欠掺杂铜氧化物中异常超导现象的起源，特别是在赝能隙区域。
• 研究淬火无序如何影响超导性与电荷密度波（CDW）序之间的竞争。
• 解释实验中的异常现象，如巨近邻效应、前驱抗磁性以及Tc以上区域的涡旋样激发。
• 利用含无序诱导玻璃行为的SO(3)序参量框架，建立CDW与SC之间的相互作用模型。
• 分析在模拟约瑟夫森结边界条件下的有限尺寸系统中，刚度与电荷守恒的作用。

提出的方法

• 为竞争的SC与CDW序参量构建类似Ginzburg-Landau的唯象有效理论，并将其映射为各向异性的海森堡模型。
• 引入单一SO(3)序参量，其中z轴代表CDW，xy平面代表SC，通过淬火随机场引入无序。
• 利用诺特定流形式，推导出角度θ（CDW/SC竞争）与相位φ（超导电流）的欧拉-拉格朗日方程。
• 施加模拟约瑟夫森结的边界条件：系统两端保持固定相位差ΔΦ，且边界处θ值刚性固定。
• 在平移不变性假设下求解θ(x)的简化1D方程，得到具有有效相干长度ξ′g = ξg / √(1 + (ΔΦ/d)²ξ²g)的扭结样解。
• 分析有限尺寸效应对刚度与磁化率的影响，确认在100×100晶格上结果已收敛，可可靠反映体相行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 淬火无序如何稳定一种与超导性竞争的玻璃态CDW相，出现在欠掺杂铜氧化物中？
• RQ2 在中间层厚度远大于相干长度的高温超导结中，巨近邻效应的机制是什么？
• RQ3 为何实验观测到在赝能隙区Tc以上存在前驱抗磁响应与涡旋样激发？
• RQ4 在有限尺寸约瑟夫森结中，有效相干长度ξ′g如何依赖于施加的相位差ΔΦ与系统尺寸d？
• RQ5 有限尺寸效应对无序SC-CDW系统中刚度与电流响应的影响程度如何？

主要发现

• 有效相干长度ξ′g受相位梯度修正，随(ΔΦ/d)增大而减小，解释了宽结中增强的近邻效应。
• 该模型即使在中间层超过标准相干长度时仍能再现有限超导电流，与巨近邻效应一致。
• 在100×100晶格上的有限尺寸模拟显示尺寸依赖性可忽略，验证了大系统可有效模拟体相行为。
• XY平面（超导通道）中的刚度保持守恒且对无序具有鲁棒性，电流Iy仅依赖于x，确认电荷守恒。
• 相位φ在y方向线性演化，φ(y) = ΔΦ/2 + (ΔΦ/d)y，确保均匀电流流动，从而实现θ(x)分布的解析求解。
• 角度θ(x)遵循扭结样解θ(x) = 2 arctan(e^{x/ξ′g}) − π/2，表明CDW与SC相之间存在畴壁结构。