[论文解读] Charge order and loop currents in hole-doped cuprates

Yuxuan Wang, Andrey V. Chubukov|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 6

一句话总结

本文提出，在空穴掺杂铜氧化物中，磁致相互作用同时驱动d波超导和具有非公度动量Qx = (2Q,0)与Qy = (0,2Q)的电荷序，形成破坏时间反演对称性的条纹型电荷序，并诱导环流。环流序在更高温度T* > TmCDW下出现，与零总动量的复合序共存，并在有限掺杂下确立第二个量子临界点，从而完成自旋涨落图像。

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.

研究动机与目标

• 解释在空穴掺杂铜氧化物中观测到的具有动量Qx = (2Q,0)与Qy = (0,2Q)的电荷序的起源。
• 阐明此类电荷序如何破坏时间反演对称性并产生环流。
• 确立环流序与电荷密度波序的温度顺序T* > TmCDW。
• 确认在有限掺杂下存在一个与磁性临界点不同的第二个量子临界点。
• 通过统一的磁相互作用机制将电荷序、环流与超导性联系起来，完成自旋涨落图像。

提出的方法

• 利用自旋涨落框架分析空穴掺杂铜氧化物正常态中的磁致电子相互作用。
• 从自旋涨落交换相互作用推导出具有Qx与Qy动量的电荷序的出现。
• 将电荷序参数识别为两个分量：非公度密度调制与非公度电流。
• 表明密度与电流分量的复合序形成总动量为零的态，从而在T*处实现环流序。
• 使用平均场理论与对称性分析，证明由于电流分量导致时间反演对称性破缺。
• 确定TmCDW(x)与T*(x)的温度依赖性，显示其在有限掺杂x下于T=0处终止。

实验结果

研究问题

• RQ1 什么机制驱动空穴掺杂铜氧化物中具有动量Qx = (2Q,0)与Qy = (0,2Q)的电荷序的形成？
• RQ2 非公度密度与电流分量的共存如何导致时间反演对称性破缺并产生环流？
• RQ3 为何环流序在高于电荷密度波转变温度TmCDW的温度T*下发生？
• RQ4 由密度与电流分量构成的复合序参数在稳定环流中起什么作用？
• RQ5 TmCDW(x)与T*(x)如何随掺杂变化，其在T=0处的终止具有何种意义？

主要发现

• 空穴掺杂铜氧化物中的电荷序源于磁致相互作用，与观测到的Qx与Qy动量一致。
• 电荷序为条纹型，表现为Qx或Qy出现，但不会同时存在。
• 电荷序参数包含两个分量：非公度密度调制与非公度电流，导致时间反演对称性破缺。
• 由于总动量为零的复合序，环流序在T* > TmCDW的更高温度下出现。
• TmCDW(x)与T*(x)在有限掺杂x下均于T=0处终止，表明存在一个与磁性临界点不同的第二个量子临界点。
• 该理论通过统一的磁相互作用机制将超导性、电荷序与环流联系起来，完成自旋涨落图像。