Niekonwencjonalne nadprzewodnictwo w układach skorelowanych fermionów

Bibliogr. s. 83-92

W rozprawie rozważono niekonwencjonalne nadprzewodnictwo w układach silnie skorelowanych elektronów w polu magnetycznym (typu Zeemana). Silne korelacje miedzy kwazicząstkami uwzględniono poprzez przybliżenie Gutzwillera w ramach statystycznie-konsystentnego podejścia zaproponowanego ostatnio w naszym zespole. Poddano analizie sytuacje gazu cienkich kwazicząstek i otrzymano diagram fazowy w funkcji pola magnetycznego i temperatury (dla przypadku dwu i trój-wymiarowego oraz uwzględniając symetrie przerwy typu s-wave oraz d-wave). W niskich polach magnetycznych układ jest w stanie Bardeena-Coopera-Schrieffera (BCS), natomiast przy zwiększaniu pola magnetycznego następuje przejście do fazy typu Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) z niezerowym pędem środka masy par Coopera. Celem wyodrębnienia nowych cech przypadku z silnymi korelacjami, wyniki zostały porównane z otrzymanymi dla przypadku bez korelacji. We wszystkich analizowanych sytuacjach faza FFLO występuje w szerszym przedziale temperatur i pol w przypadku silnych korelacji co implikuje, ze silne korelacje stabilizują fazę FFLO (i prawdopodobnie inne niekonwencjonalne fazy pojawiające się w silnych polach i niskich temperaturach). W rozprawie wytłumaczono także mechanizm stabilizacji tego stanu. Przeanalizowano także przewodność złącza typu normalny metal - silnie-skorelowany nadprzewodnik w celu sformułowania eksperymentalnego testu naszych wyników. Przebiegi przewodności w przypadkach z obecnością i absencja silnych korelacji różnią się znacznie. Rojnice te powinny być łatwo mierzalne doświadczalnie, dostarczając testu występowania silnych korelacji w stanie nadprzewodzącym. Mianowicie, korelacje zmieniają odległość pomiędzy maksimami przewodności pochodzącymi od nośników o spinie w gorę i tych o spinie w dol. W sytuacji braku korelacji ta odległość jest równa podwojonej energii Zeemana. Dla przypadku z korelacjami, odległość ta jest 30-50% mniejsza, ale w innych modelach może tez być większa w zależności od szczegółów struktury elektronowej. Dodatkowo, rozwalono koegzystencję antyferromagnetyzmu (AF) i nadprzewodnictwa (SC) w ramach modelu t-J dla układu z silnymi korelacjami oraz w polu magnetycznym, w granicy Pauliego. Faza z koegzystencja wykazuje się dwiema przerwami: singletowa oraz przerwa trypletowa typu staggered-triplet. Składowa trypletowa charakteryzuje się niezerowym pędem środka masy par Coopera i możne być postrzegana jako analogon fazy FFLO. Otrzymano diagram fazowy w funkcji wypełnienia pasma i pola magnetycznego. Dla sytuacji pasma prawie do polowy wypełnionego nasze wyniki przypominają otrzymane ostatnio w układzie cieżkofermionowym . Mianowicie, przy zwiększaniu pola magnetycznego układ ewoluuje z fazy z koegzystencja, poprzez fazę AF, ku spinowo-spolaryzowanemu stanowi normalnemu. Co więcej, pojawienie się przerwy nadprzewodzącej zmniejsza magnetyzację podsieci w stanie AF+SC.

We study unconventional superconductivity in strongly correlated electron systems and in applied magnetic (Zeeman) field. The strong correlations among quasiparticles are accounted for by means of the Gutzwiller approximation within the statistically-consistent scheme proposed recently in our group. We analyze the situation for a gas of heavy quasiparticles and obtain a phase diagram on the magnetic field-temperature plane (for both two- and three-dimensional cases, including the s-wave- and d-wave-gap symmetry solutions). In low magnetic fields the system is in the Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) phase, whereas for the increasing magnetic field a transition to the Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) phase with nonzero Cooper pair momentum takes place. To distinguish novel features of the case with strong correlations we compare our results with those for a noncorrelated situation. In all analyzed situations the FFLO phase is more robust for the case with strong correlations, which implies that strong correlations stabilize the FFLO phase (and possibly other high-field low-temperature unconventional phases). We explain the stabilization mechanism. Next, we study conductance of a normal metal - strongly-correlated superconductor junction in order to provide an experimental test of our results. The conductance spectra in the cases with and without strong correlations differ essentially, and the differences should be easily observable experimentally, providing a hallmark of strong correlations in the superconducting state. Namely, correlations alter the distance between the conductance peaks for carriers with spin-up and spin-down. In the non-correlated case this distance is twice the Zeeman energy. In the correlated case this distance is about 30-50% smaller, but in other models it may be larger, depending on details of the electronic structure. Additionally, we perform analysis of the coexistence of antiferromagnetism (AF) and superconductivity (SC) within t-J model for a system with strong correlations and in applied magnetic field in the Pauli limit. The coexisting phase exhibits two superconducting gaps (a consequence of the AF and SC coexistence): singlet and staggered-triplet. The triplet component has a nonzero Cooper pair momentum, and can be viewed as an analogue of the FFLO phase. We obtain a phase diagram on the band filling - magnetic field plane. For band filling close to unity (i.e., close to the half-filled band situation) our results resemble those obtained recently in the heavy fermion system . Namely, with the increasing magnetic field the system evolves from the coexisting phase, through AF phase, towards the spin-polarized normal state. Moreover, the onset of superconducting order decreases antiferromagnetic magnetization.