[论文解读] Disorder- and Field-Induced Antiferromagnetism in Cuprate Superconductors

Markus Schmid, Brian M. Andersen+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2009

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 39被引用 12

一句话总结

本文提出，在欠掺杂铜氧化物超导体中，无序和磁场通过关联驱动的Andreev束缚态分裂诱导反铁磁序，而不仅仅是通过抑制d波超导性。该机制源于d波对称性，其导致序参量的符号变化，从而在杂质和涡旋周围形成局域的自旋密度波（SDW）液滴。关键结果是，反相畴壁对于正确再现中子可探测磁性的温度依赖性至关重要。

ABSTRACT

The underdoped high-Tc materials are characterized by a competition between Cooper pairing and antiferromagnetic (AF) order. Important differences between the superconducting (SC) state of these materials and conventional superconductors include the d-wave pairing symmetry and a remarkable magnetic response to nonmagnetic perturbations, whereby droplets of spin-density wave (SDW) order can form around impurities and the cores of vortices. In a simple picture, whenever SC is suppressed locally, SDW order is nucleated. Within a mean-field theory of d-wave SC in an applied magnetic field including disorder and Hubbard correlations, we show in fact that the creation of SDW order is not simply due to suppression of the SC order parameter, but rather due to a correlation-induced splitting of the electronic bound state created by the perturbation. Since the bound state exists because of the sign change of the order parameter along quasiparticle trajectories, the induced SDW order is a direct consequence of the d-wave symmetry. Furthermore the formation of anti-phase domain walls is important for obtaining the correct temperature dependence of the induced magnetism as measured by neutron diffraction.

研究动机与目标

• 理解场和无序诱导的反铁磁序在欠掺杂铜氧化物中的微观起源，该序与d波超导性共存。
• 解决零场与场诱导磁响应之间的差异，特别是中子散射中观察到的不同温度依赖性。
• 澄清诱导磁性是否源于超导性的抑制，还是源于本征电子关联和对称性效应。
• 确立反相畴壁在正确捕捉诱导磁性温度演化中的作用。

提出的方法

• 将d波超导性的平均场理论应用于包含Hubbard关联、无序和外磁场的体系。
• 该模型将磁性杂质和涡旋作为局部扰动，以抑制超导序参量。
• 利用Bogoliubov-de Gennes形式化分析Andreev束缚态，通过磁性Bloch定理变换波函数以考虑轨道效应。
• 通过局域磁化率的傅里叶变换计算磁结构因子 |M(q)|²，近似采用自旋-自旋关联的因子分解法。
• 在有限晶格上求解系统，采用超原胞方法处理磁通量量子化，边界条件为周期性。
• 通过计算不同关联参数和杂质参数下的局域自旋极化 ⟨σiᶻ⟩，评估诱导磁性的温度依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在超导性局部被抑制的欠掺杂铜氧化物中，磁序仍会在涡旋核心和杂质周围出现？
• RQ2 磁场下自旋密度波（SDW）序的非公度性随温度增强的微观起源是什么？
• RQ3 d波配对对称性如何影响束缚态的形成及后续自旋密度波序的产生？
• RQ4 为何零场磁响应与场诱导信号在温度依赖性上存在差异，尽管两者在Tc处均趋于零？
• RQ5 反相畴壁在稳定观测到的磁序并匹配实验中子数据中起什么作用？

主要发现

• 自旋密度波（SDW）序的形成并非简单源于d波超导序参量的抑制，而是源于关联诱导的Andreev束缚态分裂。
• 诱导磁性与d波对称性直接相关，因为序参量沿准粒子轨迹的符号变化导致束缚态分裂和局域磁矩的形成。
• 在零场下，杂质诱导出局域SDW液滴，其尺寸与纯体系的反铁磁关联长度一致，经局域磁化率的空间可视化得到验证。
• 施加磁场可增强SDW序，特别是在涡旋核心附近，并使其扩展至超导序参量仅被弱抑制的区域。
• 只有在模型中包含反相畴壁时，诱导磁性的温度依赖性才能被正确再现，与中子衍射数据一致。
• 通过磁化率的傅里叶变换计算的磁结构因子 |M(q)|² 在 (π,π) 处出现峰值，与磁场下观测到的非公度SDW序的实验结果一致。