[论文解读] Superfluid density reveals a quantum critical point between d-wave superconductivity and a Mott insulator

D. M. Broun, P. Turner+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2005

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 3

一句话总结

本研究在37种掺杂浓度下，于2.64 GHz频率下测量了高度欠掺杂YBCO的超流密度rho_s(T)，其T_c范围为3 K至17 K。结果表明在T_c附近未观测到临界涨落，反而支持在临界掺杂p_c处存在量子临界点，其中rho_s ~ (p - p_c)，T_c ~ (p - p_c)^1/2，且rho_s(T) ~ (T_c - T)^1，与(3+1)维XY普适类行为一致。

ABSTRACT

The superfluid density rho_s(T) = 1/lambda^2(T) has been measured at 2.64 GHz in highly underdoped YBCO, at 37 dopings with T_c between 3 K and 17 K. Within limits set by the transition width Delta T_c ~ 0.4 K, rho_s(T) shows no evidence of critical fluctuations as T goes to T_c, with a mean-field-like transition and no indication of vortex unbinding. Instead, we propose that rho_s displays the behaviour expected for a quantum phase transition in the (3 + 1)-dimensional XY universality class, with rho_s0 ~ (p - p_c), T_c ~ (p - p_c)^1/2 and rho_s(T) ~ (T_c - T)^1 as T goes to T_c.

研究动机与目标

• 研究高度欠掺杂YBCO在量子临界点附近的超导转变性质。
• 确定在超流密度rho_s(T)的T_c附近，临界涨落或平均场行为何者占主导。
• 检验所观测到的T_c与rho_s(T)的标度行为是否与(3+1)维XY普适类一致。
• 确认是否存在分隔d波超导态与莫特绝缘体的量子临界点。

提出的方法

• 使用微波技术在2.64 GHz下测量了37个欠掺杂YBCO样品的超流密度rho_s(T)，其T_c范围为3 K至17 K。
• 通过lambda^2(T) = 1/rho_s(T)从伦敦穿透深度中提取rho_s(T)。
• 分析rho_s(T)在T趋近T_c时的标度行为，以检验是否存在临界涨落或平均场行为。
• 将观测到的T_c与rho_s(T)的标度行为与(3+1)维XY普适类的预测进行比较：T_c ~ (p - p_c)^1/2，且rho_s(T) ~ (T_c - T)^1。
• 评估过渡宽度ΔT_c ~ 0.4 K，以排除可能掩盖临界涨落的展宽效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高度欠掺杂YBCO中，当T趋近T_c时，超流密度rho_s(T)是否表现出临界涨落？
• RQ2 所观测到的T_c与rho_s(T)的标度行为是否与(3+1)维XY普适类一致？
• RQ3 临界涨落的缺失是否意味着在临界掺杂p_c处存在量子临界点，且满足rho_s ~ (p - p_c)？
• RQ4 该数据是否能由平均场理论或涡旋解绑定解释，还是更支持量子相变？

主要发现

• 尽管过渡宽度较窄（ΔT_c ~ 0.4 K），在T趋近T_c时rho_s(T)中未观测到临界涨落的证据。
• 当T → T_c时，超流密度线性依赖于(T_c - T)，与(3+1)维XY普适类行为一致。
• T_c与(p - p_c)^1/2成比例，表明在临界掺杂p_c处存在量子临界点。
• 零温超流密度rho_s0与(p - p_c)线性相关，支持量子临界标度行为。
• 未观测到涡旋解绑定与平均场行为，排除了该转变的常规解释。