[논문 리뷰] Exploring High-Temperature Superconductivity in the Extended Hubbard Model with Antiferromagnetic Tendencies

Zhipeng Sun, Hai-Qing Lin|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 15.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 강한 현위상 반발력으로 인한 반자성 경향을 가정하면서, 근접 이웃 상호작용을 포함한 확장된 허버드 모형에서 고온 초전도성의 특성을 평균장 이론을 통해 조사한다. 넓은 도핑 범위에서 d파동 초전도성과 반자성 순서가 공존하는 것으로 나타났으며, Tc는 근접 이웃 상호작용 강도 |V|에 거의 비례함을 확인하여, 평탄한 밴드와 강한 전자-음향파 상호작용이 향상된 Tc의 주요 원인임을 시사한다.

ABSTRACT

The enigma of unconventional superconductivity in doped cuprates presents a formidable challenge in the realm of condensed matter physics. Recent findings of strong near-neighbor attractions in one-dimensional cuprate chains suggest a new avenue for investigating cuprate superconductors. Consequently, we revisited the superconductivity in the extended Hubbard model at the mean-field level. Anticipating a prevalence of antiferromagnetic order due to strong local Coulomb repulsion, our calculations reveal the coexistence of superconducting and antiferromagnetic orders across a wide range of doping at sufficiently low temperatures. The mean-field results capture some key features of cuprate superconductors, including $d$-wave pairing symmetry, a dome-shaped dependence of $T_c$ on doping, and higher superconducting transition temperatures. Additionally, we observed a nearly proportional relationship between $T_c$ and the strength of the nearest-neighbor attraction, reminiscent of experimental findings at the FeSe/SrTiO3 interface. The mean-field results suggest that the extended Hubbard model could be the appropriate framework for investigating cuprate superconductivity and offer insights for more precise calculations within this model in future.

연구 동기 및 목표

• 강한 국소 쿨롱 반발력 하에서 확장된 허버드 모형에서 초전도성과 반자성 순서 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 근접 이웃 상호작용을 포함함으로써 고-Tc 초전도성이 코프레이트의 현상학과 일치하는지를 평가하기 위해.
• Fermi 표면 근처의 반바퀴 특이점(van Hove singularities)과 평탄한 밴드가 Tc를 어떻게 향상시키는지 탐색하기 위해.
• 평균장 접근법이 도핑 농도에 따른 Tc의 도우-shaped 의존성과 d파동 쌍화 대칭을 어떻게 잘 포착하는지 검토하기 위해.
• 향후 확장된 허버드 모형에서 정밀한 계산을 위한 이론적 기초를 제공하기 위해.

제안 방법

• 현위상 반발력(U), 근접 이웃 상호작용(V), 그리고 터널링 항을 포함한 확장된 허버드 해밀토니안에 대해 평균장 근사를 적용한다.
• 계는 반자성 순서 경향을 가지며, 이는 자성 평균장 방정식에 통합된다.
• 초전도성 및 반자성 순서 매개변수에 대해 동시에 BCS 유형의 갭 방정식을 해결한다.
• 반바퀴 특이점(van Hove singularities, vHS)을 식별하기 위해 상태 밀도(DOS)를 계산하며, 이는 Tc 향상에 기여할 수 있다.
• Tc가 도핑 농도, U, |V|에 따라 어떻게 변화하는지 체계적으로 분석하며, 특히 Tc ∝ |V| 비례 관계에 중점을 둔다.
• 쌍화 밀도파(PDW) 서명을 탐지하기 위해 초전도성 순서 매개변수의 공간적 조절을 검토한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 현위상 반발력이 존재하는 근접 이웃 상호작용을 포함한 확장된 허버드 모형이 고-Tc 초전도성을 지속할 수 있는가?
• RQ2 근접 이웃 상호작용 강도 |V|와 초전도 전이 온도 Tc 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ3 Fermi 표면 근처의 반바퀴 특이점과 평탄한 밴드는 이 모형에서 Tc에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 평균장 프레임워크에서 반자성과 초전도성 순서가 넓은 도핑 범위에서 공존하는가?
• RQ5 이 모형은 코프레이트에서 관찰된 도우형 Tc 대 도핑 의존성을 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 평균장 해는 저온에서 넓은 도핑 범위에서 d파동 초전도성과 반자성 순서가 공존하는 것으로 나타났다.
• Tc와 근접 이웃 상호작용 강도 |V| 사이에 거의 비례 관계가 발견되었으며, 이는 FeSe/SrTiO3 인터페이스에서의 실험 관측과 일치한다.
• Fermi 표면 근처에 존재하는 반바퀴 특이점(van Hove singularities, vHS)이 Tc 향상의 핵심 요인임을 규명하였으며, 이는 Tc ∝ |V| 스케일링을 설명할 수 있다.
• 수치적으로 평탄한 밴드가 관측되었고, Tc 증가에 핵심적인 역할을 함을 보여주어, 평탄한 밴드가 비국소 초전도체에서 공통적인 특성임을 지지한다.
• 반자성과 초전도성 순서의 공존은 동역학적으로 파장 Q를 가진 쌍화 밀도파(PDW)의 출현을 이끌었으며, 이는 초전도성 순서 매개변수의 공간적 조절을 나타낸다.
• 초전도성과 반자성 갭이 동시에 존재함을 확인하여, 코프레이트에서 관측되는 준가역상의 가능한 기원을 제시한다.