[论文解读] Nodeless superconducting gap induced by a competing odd-parity Fulde-Ferrel-Larkin-Ovchinnikov superconductivity in deeply underdoped cuprates

Tanmoy Das|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 5

一句话总结

本文提出，在深度轻掺杂铜氧化物中，一种稳健的奇宇称 Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) 三重态超导态作为 d 超导态和反铁磁性的伴生态出现，其质心动量位于反铁磁波矢 Q=(π,π)。该 FFLO 态诱导出完全能隙的准粒子谱，解释了观测到的‘绝缘体样’电子结构，并预测了超流密度的指数温度依赖性，作为关键可检验的特征。

ABSTRACT

We develop a microscopic theory to show that the transition from an antiferromagnetic (AFM) phase to $d_{x^2-y^2}$-wave superconductivity occurs through the robust companion of a triplet superconductivity. More interestingly, the symmetry combination of AFM and $d$-wave superconducting (SC) phase prescribes the triplet state to be odd parity and Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) type with its center-of-mass momentum being single valued at the AFM wavevector ${\bf Q}=(\pi,\pi)$. Furthermore, the FFLO state produces a fully gapped quasiparticle spectrum which explains the recent observations of the `insulating'-like electronic structure of lightly doped cuprates in hole doping side. We have studied the stability of all three phases within the coupled self-consistent mean-field theory. Finally, we calculate the superfluid density to propose its exponential temperature dependence as a test to the SC origin of this `insulating' state, while the phase modulation of the FFLO state can be visualized by scanning probes. The results are generic to all uncoventional SC pairing symmetries including $s^{\pm}$ in pnictide and others.

研究动机与目标

• 解释在轻掺杂铜氧化物中观测到的‘绝缘体样’电子结构的起源，该现象与 d 超导体的预期相矛盾。
• 研究在深度轻掺杂铜氧化物中，三重态超导态作为 d 超导态和反铁磁性伴生相的出现机制。
• 确定三重态配对态的对称性和动量结构，特别是其奇宇称和 FFLO 特性。
• 通过自洽平均场理论建立反铁磁性、d 超导态和 FFLO 三重态相共存的稳定性。
• 提出一个可检验的特征——超流密度的指数温度依赖性——以识别观测到的能隙态的超导起源。

提出的方法

• 基于耦合自洽平均场理论的微观理论，同时处理反铁磁序、d 超导序和三重态超导序参数。
• 将三重态配对态识别为奇宇称且具有 Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) 类型，其质心动量固定在反铁磁波矢 Q=(π,π)。
• 利用对称性分析表明，反铁磁相与 d 超导相的共存迫使三重态态进入奇宇称、FFLO 类型的配对态，且具有单值动量。
• 在平均场框架内计算准粒子谱，以证明尽管存在 d 超导配对，仍能出现完全能隙的态。
• 计算超流密度随温度的变化，推导出 FFLO 态的显著指数温度依赖性。
• 提出扫描探针可可视化 FFLO 态的空间相位调制，提供直接的实验特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在深度轻掺杂铜氧化物中，与 d 超导态和反铁磁性共存的三重态超导态的对称性和动量结构是什么？
• RQ2 反铁磁序与 d 超导序参数的共存如何强制形成奇宇称、FFLO 类型的三重态配对态？
• RQ3 观测到的轻掺杂铜氧化物中‘绝缘体样’准粒子谱能否由这种 FFLO 配对机制引起的完全能隙态来解释？
• RQ4 该 FFLO 态中超流密度的温度依赖性如何？与常规超导体有何不同？
• RQ5 如何通过实验探测和区分 FFLO 态的相位调制与其他竞争序？

主要发现

• 在深度轻掺杂铜氧化物中，反铁磁性与 d 超导态的共存迫使形成一种稳健的、奇宇称的三重态超导态，具有 Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) 特性。
• 该 FFLO 态的质心动量在反铁磁波矢 Q=(π,π) 处具有单值性，这是反铁磁相与 d 超导相对称性组合的直接结果。
• 该 FFLO 配对诱导出完全能隙的准粒子谱，为轻掺杂铜氧化物中观测到的‘绝缘体样’电子结构提供了微观解释。
• 该态中超流密度表现出指数温度依赖性，是识别能隙态超导起源的显著可检验特征。
• 通过扫描隧道显微镜 (STM) 或其他局域探针可可视化 FFLO 态的空间相位调制，为直接探测该态提供了实验路径。
• 该理论框架具有普适性，可适用于其他具有类似配对对称性的非传统超导体，如铁基材料中的 s±-波超导体。