[論文レビュー] Magnetic-field Induced Interconversion of Cooper Pairs and Density Wave States within Cuprate Composite Order

Mohammad Hamidian, Edkins, S. D.+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、スキャントンネル顕微鏡（STM）を用いたサブラティス解像度の電子状態像像により、銅酸化物超伝導体において磁場誘起によるコープ粒子対と密度波（DW）状態の間の相互変換を実証した。この結果、ネルバ状のd形因子DW秩序が、ストロベリー核において強く安定していることが明らかになった。これらの発見は、複合秩序の直接的な微視的証拠を提供し、理論的に予測された8つの運動量空間位置で、磁場駆動によるSC〜DW変換が正確に観測された。

ABSTRACT

Recent studies establish that the cuprate pseudogap phase is susceptible at low temperatures to forming not only a $d$-symmetry superconducting (SC) state, but also a $d$-symmetry form factor (dFF) density wave (DW) state. The concurrent emergence of such distinct and unusual states from the pseudogap motivates theories that they are "intertwined" i.e derived from a quantum composite of dissimilar broken-symmetry orders. Some composite order theories predict that the balance between the different components can be altered, for example at superconducting vortex cores. Here, we introduce sublattice phase-resolved electronic structure imaging as a function of magnetic field and find robust dFF DW states induced at each vortex. They are predominantly unidirectional and co-oriented (nematic), exhibiting strong spatial-phase coherence. At each vortex we also detect the field-induced conversion of the SC to DW components and demonstrate that this occurs at precisely the eight momentum-space locations predicted in many composite order theories. These data provided direct microscopic evidence for the existence of composite order in the cuprates, and new indications of how the DW state becomes long-range ordered in high magnetic fields.

研究の動機と目的

• 磁場下における銅酸化物の仮ギャップ相における超伝導（SC）秩序と密度波（DW）秩序の相乗的相互作用を調査すること。
• 最近の量子理論が予測するように、SCとDW状態が複合秩序基底状態によってねじれあっているかどうかを検証すること。
• 磁場がストロベリー核におけるSCとDW成分の微視的相互変換を引き起こすかどうかを特定すること。
• ストロベリー核の存在下で誘起されたDW状態の空間的位相整合性と対称性を調べること。
• 高温超伝導体における複合秩序の直接的な実験的証拠を提供すること。

提案手法

• 局所的電子状態をマップするため、スキャントンネル顕微鏡（STM）を用いたサブラティス位相分解能の電子構造像像。
• 磁場を印加してストロベリー核を誘起し、電子的再構成の磁場依存性を調査。
• STMデータのフーリエ変換を用いて運動量空間構造を分析し、d形因子（dFF）密度波秩序を同定。
• 観測された磁場誘起DW状態を、複合秩序相に関する理論的予測と比較。
• SC〜DW変換が理論的に予測され、観測された8つの明確な運動量空間位置を同定。
• 空間的位相整合性分析を用いて、誘起されたDW状態における長距離秩序を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場は銅酸化物における超伝導状態と密度波状態の微視的相互変換を誘起できるか？
• RQ2 観測された磁場誘起密度波状態は、空間的位相整合性とネルバ（一方向）秩序を示すか？
• RQ3 SCとDW成分間の磁場駆動遷移は、複合秩序理論の予測と整合的か？
• RQ4 運動量空間におけるSC〜DW変換の位置は、複合秩序モデルが予測する8点に正確に一致するか？
• RQ5 ストロベリー核に現れるDW秩序の出現は、複合秩序基底状態の証拠となるか？

主な発見

• 磁場下において、各ストロベリー核に強く安定したd形因子（dFF）密度波状態が誘起され、強い空間的位相整合性を示した。
• 誘起されたDW状態は主に一方向的かつ共線的（ネルバ的）であり、長距離秩序を示している。
• 磁場誘起によるSC〜DW成分への変換が、理論的に予測された8つの運動量空間位置で正確に観測された。
• データは、SCとDW秩序がねじれあっている複合秩序の直接的な微視的証拠を提供した。
• 結果から、高磁場がこの相互変換機構を通じて長距離秩序を持つ密度波状態を安定化させている可能性が示唆された。
• 本研究の結論は、arXiv:1802.04673で改善されたデータにより後退したが、複合秩序研究の基礎的役割を果たし続けている。