[论文解读] Strong coupling s-wave superconductors in the extreme Pauli limit: I.The breached pair and metastable FFLO phases

Madhuparna Karmakar, Pinaki Majumdar|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 7

一句话总结

本研究在强磁场下研究了吸引力 Hubbard 模型中的 s 波超导性，聚焦于轨道成对破坏可忽略的极端 Pauli 极限。通过有限温度量子蒙特卡罗模拟，揭示了一个丰富的相图，其中在中等磁场下存在一个破缺对态，在高磁场下存在一个亚稳态 FFLO 相，且临界温度 Tc 比平均场估计值低一个数量级，并直接映射出可测量的磁结构因子。

ABSTRACT

We study s-wave superconductivity in the attractive Hubbard model in an applied magnetic field and assume the extreme Pauli limit where the orbital critical field is much greater than the Zeeman critical field. We work at a coupling corresponding roughly to the peak $T_c$ in the BCS to BEC crossover window and retain the crucial amplitude and phase fluctuations. At low field, as expected, the superconductor undergoes a second order thermal transition to the normal state, and is only weakly magnetized near $T_c$. At intermediate fields the thermal transition is still second order, but the magnetization is significantly larger, characteristic of a `breached pair' state. At strong field, the thermal transition is first order and our Monte Carlo reveals the presence of a metastable Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) state. At even higher fields we observe the true FFLO ground state. We present the full `field-temperature' phase diagram of this strong coupling problem, revealing $T_c$ scales an order of magnitude below the mean field estimate, compute the superconducting and magnetic order parameters, and map out the directly measurable magnetic structure factor. We compare these trends to results on the Pauli limited heavy fermion CeCoIn$_5$, and the cold atomic Fermi gas at unitarity. This paper focuses primarily on the homogeneous superconducting state, another deals with thermal effects in the FFLO regime.

研究动机与目标

• 理解强耦合 s 波超导体在极端 Pauli 极限下的行为，此时轨道成对破坏可忽略。
• 研究 BCS-BEC 跨越区中，超导配对与磁场效应之间的相互作用。
• 绘制完整的磁场-温度相图，包括 FFLO 态和破缺对态的出现。
• 计算在强涨落存在下的可测量物理量，如磁结构因子和超导序参量。
• 将结果与实验体系（如 CeCoIn5 和单位率超冷费米气体）进行比较。

提出的方法

• 采用有限温度量子蒙特卡罗模拟研究磁场中的吸引力 Hubbard 模型。
• 模拟保留了超导序参量的振幅和相位涨落，这对强耦合物理至关重要。
• 通过设置轨道临界场远大于 Zeeman 场，强制实现极端 Pauli 极限，从而隔离 Pauli 成对破坏效应。
• 通过分析不同磁场和温度下的超导序参量和磁序参量，构建磁场-温度相图。
• 计算磁结构因子作为可直接测量的物理量，以探测 FFLO 态和破缺对态。
• 分析区分一阶和二阶热相变，识别亚稳态 FFLO 态的出现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在极端 Pauli 极限下，随着磁场增加，超导转变如何从二阶变为一阶？
• RQ2 在中等磁场下，超导态的性质是什么？它是否表现出破缺对态的特征？
• RQ3 在强磁场下，强耦合 s 波超导体中是否存在亚稳态 Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) 相？
• RQ4 在强涨落存在下，临界温度 Tc 相对于平均场估计值如何变化？
• RQ5 在 FFLO 态和破缺对态中，实验可探测的信号（如磁结构因子）是什么？

主要发现

• 由于强振幅和相位涨落，临界温度 Tc 比平均场估计值低约一个数量级。
• 在中等磁场下，系统表现出显著磁化的一阶热相变，特征为破缺对态。
• 在高磁场下，热相变变为一阶，蒙特卡罗模拟揭示了亚稳态 FFLO 相的存在。
• 在更高磁场下，真正 FFLO 基态被识别，证实其在强耦合区的稳定性。
• 计算了磁结构因子，发现其是区分 FFLO 态和破缺对态的关键可观测量。
• 完整绘制了磁场-温度相图，揭示了超导配对与磁场效应之间复杂的相互作用。