[论文解读] 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 12

一句话总结

本研究通过亚晶格分辨成像，展示了在铜氧化物超导体中磁场所诱导的库珀对与密度波（DW）态之间的相互转化，揭示了涡旋核心处存在稳健、单向的d形因子DW序。研究结果为复合序提供了直接的显微证据，场驱动的SC-to-DW转化恰好发生在复合序理论所预测的八个动量空间位置上。

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.

研究动机与目标

• 研究磁场所诱导的铜氧化物赝能隙相中超导（SC）与密度波（DW）序之间的相互作用。
• 检验SC与DW态是否如近期量子理论所预测的那样，通过复合序基态相互交织。
• 确定磁场是否能在涡旋核心处驱动SC与DW组分之间的显微相互转化。
• 探究涡旋存在下诱导的DW态的空间相干性与对称性。
• 为高温超导体中的复合序提供直接实验证据。

提出的方法

• 使用扫描隧道显微镜（STM）进行亚晶格相位分辨的电子结构成像，以绘制局域电子态。
• 施加磁场以诱导涡旋，并探测场依赖的电子重构。
• 通过STM数据的傅里叶变换分析动量空间结构，以识别d形因子（dFF）密度波序。
• 将观测到的场诱导DW态与复合序相的理论预测进行比较。
• 识别出八个明确的动量空间位置，其中SC-to-DW转化被理论预测并被观测到。
• 采用空间相位相干性分析，确认诱导DW态中的长程序。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁场是否能在铜氧化物中诱导超导与密度波态之间的显微相互转化？
• RQ2 观测到的场诱导密度波态是否表现出空间相位相干性与向列（单向）序？
• RQ3 SC与DW组分之间的场驱动转变是否与复合序理论的预测一致？
• RQ4 SC-to-DW转化在动量空间中的位置是否精确位于复合序模型所预测的八个点上？
• RQ5 涡旋核心处DW序的出现是否为复合序基态提供了证据？

主要发现

• 在磁场作用下，每个涡旋核心均诱导出稳健的d形因子（dFF）密度波态，表现出强烈的时空相位相干性。
• 诱导的DW态主要为单向且共取向（向列），表明存在长程序。
• 场诱导的SC到DW组分的转化恰好发生在八个动量空间位置，与理论预测完全一致。
• 数据为铜氧化物中SC与DW序相互交织的复合序提供了直接的显微证据。
• 结果表明，高磁场通过此相互转化机制稳定了长程有序的密度波态。
• 本研究的结论已被arXiv:1802.04673中的改进数据所取代，但原始发现仍是复合序研究的基石。