[论文解读] Cooper-Paired Bipolaronic Superconductors

M. Grundner, Tizian Blatz+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2023

Physics of Superconductivity and MagnetismPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本文利用先进的张量网络方法，研究了一维Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型在绝热极限下的库珀对耦合双极化子超导性。研究发现，在有限电子密度和中等电子-电子排斥作用下，双极化子并未形成传统的玻色-爱因斯坦凝聚（BEC），而是形成了一种由空间分离的极化子对构成的碎片化凝聚态，其稳定性由强关联效应决定，表明其偏离了标准的分子束缚态图像。

ABSTRACT

Light-mass bipolarons in off-diagonally coupled electron-phonon systems provide a potential route to bipolaronic high-Tc superconductivity. While there has been numerical progress in the physically relevant limit of slow phonons, more insights are needed to fully understand to what extent this mechanism survives at finite densities and in different regimes. We address these questions using advanced tensor-network methods applied to the Su-Schrieffer-Heeger model. Studying both the spectral properties of isolated bipolarons as well as the pairing correlations at small finite densities, we find evidence that the conventional picture of bipolarons as molecular bound states which undergo Bose-Einstein condensation may need to be reconsidered. Instead, our findings suggest correlation-driven formation of a fragmented condensate with spatially separated polaron pairs, stabilized by strong repulsive electron-electron interactions at moderate values of the electron-phonon coupling. These spatially modulated charge clouds exhibit pairing with a typical length-scale set by the Fermi momentum.

研究动机与目标

• 研究在非对角耦合电子-声子系统中，轻质量双极化子是否能在绝热极限下维持高温超导性。
• 评估在有限密度下，双极化子的传统玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）图像是否成立。
• 探讨电子-电子排斥作用在稳定关联性、空间调制的超导态中的作用。
• 确定在强关联和有限掺杂条件下，双极化子的标准分子束缚态图像是否失效。

提出的方法

• 采用投影纯化矩阵乘积态（MPS）技术，模拟绝热极限下一维SSH-Hubbard模型。
• 使用改进精度的时间演化方案，计算孤立极化子和双极化子的谱函数。
• 应用单站点和双站点MPS求解器，最大张力维数达2048，截断权重δ = 10⁻¹⁰，实现高精度基态计算。
• 监测亚晶格声子位移ΔX_max，以检测强电子-声子耦合下的晶格不稳定性及模型失效。
• 通过MPS截断局部希尔伯特空间，限制最大声子激发数（n_ph,max = 63），确保低密度区域的收敛性。
• 从能量-动量关系E(k)计算有效质量与准粒子色散关系，分析准粒子的性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 在绝热极限下，弱相互作用双极化子的玻色-爱因斯坦凝聚是否能在有限电子密度下保持稳定？
• RQ2 强电子-电子排斥作用如何改变轻质量双极化子电子-声子系统中的配对机制？
• RQ3 在强关联条件下，双极化子作为分子束缚态的传统图像在多大程度上失效？
• RQ4 在中等电子-声子耦合下，空间分离的极化子对碎片化凝聚态是否能作为稳定基态出现？
• RQ5 SSH模型在强电子-声子耦合下的稳定性边界是什么？相分离或晶格不稳定性在何时发生？

主要发现

• 在绝热极限下，存在有限电子-电子相互作用时，孤立双极化子不稳定，与标准的分子束缚态图像相矛盾。
• 在有限密度下，系统形成空间分离极化子对的最大碎片化凝聚态，而非分子双极化子的传统BEC。
• 配对机制由库珀配对主导，强关联效应阻止了单一量子态的宏观占据。
• 电荷云的空间调制由费米动量决定，表明超导序与电荷密度波涨落之间存在耦合。
• 当|ΔX_max| > 1时发生晶格不稳定性，该现象仅在λ = 0.5、U/t = 0且n > 0.025时被观测到，表明强耦合下模型失效。
• 有效质量计算表明，最低能量准粒子态位于k = 0处，与一致的碎片化超导态相符。