擬似ギャップ

凝縮物質物理学においてフェルミ面が部分的なエネルギーギャップを持つ状態
擬ギャップ相を示すドープ銅酸化物超伝導体の相図

凝縮物質物理学において、擬ギャップとは、物質のフェルミ面が部分的なエネルギーギャップを持つ状態、例えばフェルミ面が特定の点のみにギャップを持つバンド構造状態を指します。 [1]

擬ギャップという用語は、 1968年にネビル・モットによって造語され、フェルミ準位における状態密度の最小値N ( E F )、同じ原子内の電子間のクーロン反発、無秩序な物質のバンドギャップ、またはこれらの組み合わせを示すために使われました。[ 2 ]

現代の文脈において、擬ギャップとは高温超伝導の分野における用語であり、関連する状態が非常に少ないエネルギー領域（通常はフェルミ準位付近）を指します。これは、許容される状態を含まないエネルギー領域である真の「ギャップ」と非常によく似ています。このようなギャップは、例えば電子が格子と相互作用するときに発生します。擬ギャップ現象は、銅酸化物高温超伝導体に共通する相図の領域で観測され、超伝導転移温度を超える温度において、ドーピング不足の試料に存在します。

このギャップを「見る」ことができるのは特定の電子だけです。絶縁状態に関連するはずのこのギャップは、銅-酸素結合に平行に移動する電子にのみ存在します。[3]この結合に対して45°の角度で移動する電子は、結晶全体を自由に移動できます。したがって、フェルミ面はブリルアンゾーンの角を中心としたポケットを形成するフェルミアークで構成されています。擬ギャップ相では、温度が低下するにつれてこれらのアークは徐々に消滅し、ブリルアンゾーンの対角線上の4点だけがギャップのない状態になります。

これは一方では、利用可能な状態を消費し、対を形成して超伝導状態を形成するわずかな状態のみを残す、全く新しい電子相を示唆している可能性がある。他方では、この部分ギャップと超伝導状態におけるギャップの類似性は、この擬ギャップが既に形成されたクーパー対に起因することを示唆している可能性がある。

最近ではTiN、[4] NbN、[5]粒状アルミニウムなどの強く無秩序な従来の超伝導体でも擬ギャップ状態が報告されている。 [6]

実験的証拠

擬ギャップは様々な実験手法で観察できます。最初の観察例の一つは、H. AlloulらによるYBa 2 Cu 3 O 6+ xのNMR測定[7]と、Loramらによる比熱測定[8]です。 擬ギャップは、物質中の電子の 状態密度を測定できるARPES（角度分解光電子分光法）やSTM（走査トンネル顕微鏡）のデータにも現れています。

機構

擬ギャップの起源については議論の余地があり、凝縮系分野では依然として議論が続いています。現在、主に2つの解釈が浮上しています。

1. プレフォームドペアのシナリオ このシナリオでは、電子は超伝導が発現する臨界温度T cよりもはるかに高い温度T*でペアを形成します。T cが約80 Kで あるアンダードープ銅酸化物では、300 K程度のT*値が測定されています。

T*では超伝導は現れない。これは、この温度では対合場の大きな位相変動が整列できないためである。[9] 擬ギャップは、対合場の非コヒーレントな変動によって生成される。[10]擬ギャップは、局所的で動的な対合相関による超伝導ギャップの常態前駆現象である。[11]この見解は、引力対合モデルを比熱実験に定量的に適用することで裏付けられている。[12]

2. 超伝導に関連しない擬ギャップのシナリオこのクラスのシナリオでは、電子ストライプの形成、反強磁性秩序、または超伝導と競合する他の異常な秩序パラメータ など、さまざまな起源が提唱されています。

参考文献

  1. ^ Timusk, Tom; Bryan Statt (1999). 「高温超伝導体における擬ギャップ：実験的概観」. Reports on Progress in Physics 62 ( 1): 61– 122. arXiv : cond-mat/9905219 . Bibcode :1999RPPh...62...61T. doi :10.1088/0034-4885/62/1/002. S2CID  17302108.
  2. ^ NF Mott (1968). 「金属-絶縁体転移」. Reviews of Modern Physics . 40 (4): 677– 683. Bibcode :1968RvMP...40..677M. CiteSeerX 10.1.1.559.1764 . doi :10.1103/RevModPhys.40.677. 
  3. ^ マネラ、N.;他。 (2005)。 「擬似ギャップのある巨大磁気抵抗マンガナイトのノード準粒子」。自然。438 (7067): 474–478 . arXiv : cond-mat/0510423。Bibcode :2005Natur.438..474M。土井：10.1038/nature04273. PMID  16306987。S2CID 4405340  。
  4. ^ Benjamin Sacépé; Claude Chapelier; Tatyana I. Baturina; Valerii M. Vinokur; Mikhail R. Baklanov; Marc Sanquer (2010). 「従来型超伝導体の薄膜における擬ギャップ」Nature Communications . 1 (9): 140. arXiv : 0906.1193 . doi :10.1038/ncomms1140. PMID  21266990. S2CID  6781010.
  5. ^ Mintu Mondal; Anand Kamlapure; Madhavi Chand; Garima Saraswat; Sanjeev Kumar; John Jesudasan; L. Benfatto; Vikram Tripathi; Pratap Raychaudhuri (2011). 「金属絶縁体転移近傍における強く無秩序なs波NbN超伝導体の位相変動」. Physical Review Letters . 106 (4) 047001. arXiv : 1006.4143 . Bibcode :2011PhRvL.106d7001M. doi :10.1103/PhysRevLett.106.047001. PMID:  21405347. S2CID  : 1584672.
  6. ^ Uwe S. Pracht; Nimrod Bachar; Lara Benfatto; Guy Deutscher; Eli Farber; Martin Dressel; Marc Scheffler (2016). 「強化されたクーパー対と抑制された位相コヒーレンスによる結合アルミニウムナノ粒子の超伝導ドームの形成」. Physical Review B. 93 ( 10): 100503(R). arXiv : 1508.04270 . Bibcode :2016PhRvB..93j0503P. doi :10.1103/PhysRevB.93.100503. S2CID  122749546.
  7. ^ Alloul, H.; Ohno, T.; Mendels, P. (1989年10月16日). 「 YBa 2 Cu 3 O 6+ xにおけるフェルミ液体挙動の89 Y NMR証拠」. Physical Review Letters . 63 (16): 1700– 1703. Bibcode :1989PhRvL..63.1700A. doi :10.1103/PhysRevLett.63.1700. PMID  10040648.
  8. ^ JW Loram; KA Mirza; JR Cooper & WY Liang (1993). 「YBa 2 Cu 3 O 6+ xの電子比熱（1.8～300 K）”. Physical Review Letters . 71 (11): 1740– 1743. Bibcode :1993PhRvL..71.1740L. doi :10.1103/PhysRevLett.71.1740. PMID  10054486.
  9. ^ VJ Emery; SA Kivelson (1995). 「小さな超流動密度を持つ超伝導体における位相変動の重要性」. Nature . 374 (6521): 434– 437. Bibcode :1995Natur.374..434E. doi :10.1038/374434a0. S2CID  4253557.
  10. ^ Marcel Franz (2007). 「超伝導：揺らぎの重要性」. Nature Physics 3 ( 10): 686– 687. Bibcode :2007NatPh...3..686F. doi :10.1038/nphys739.
  11. ^ Randeria, Mohit & Trivedi, Nandini (1998). 「Tc以上の温度における対相関とアンダードープ銅酸化物の擬ギャップ」. Journal of Physics and Chemistry of Solids . 59 ( 10–12 ): 1754–1758 . Bibcode :1998JPCS...59.1754R. doi :10.1016/s0022-3697(98)00099-7.
  12. ^ Philippe Curty & Hans Beck (2003). 「高温超伝導体の熱力学と相図」. Physical Review Letters . 91 (25) 257002. arXiv : cond-mat/0401124 . Bibcode :2003PhRvL..91y7002C. doi :10.1103/PhysRevLett.91.257002. PMID:  14754139. S2CID  : 35179519.
  • 高温超伝導体における擬ギャップ：実験的調査（レビュー記事）（1999）
  • 位相揺らぎと擬ギャップ現象
  • 非超伝導材料における擬ギャップ
  • 高温超伝導における謎の擬ギャップ、赤外線による観察（2003）
  • 擬似ギャップ：高Tcの味方か敵か？（レビュー）（2005）
  • 高転移温度銅酸化物超伝導体のエネルギーギャップ（レビュー）（2014）
  • ARPES実験による擬ギャップ：銅酸化物における3つのギャップとトポロジカル超伝導（レビュー）（2015）
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