高温超伝導層間ジョセフソン磁束量子系の新奇な熱平衡相図とダイナミクス―シミュレーション研究

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15540355
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 胡 暁 独立行政法人物質・材料研究機構, 計算材料科学研究センター, アソシエートディレクター (90238428)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 河野 昌仙 独立行政法人物質・材料研究機構, 計算材料科学研究センター, 研究員 (40370308) ; 田中 秋広 独立行政法人物質・材料研究機構, 計算材料科学研究センター, 主任研究員 (10354143) ; 野々村 禎彦 独立行政法人物質・材料研究機構, 計算材料科学研究センター, 主任研究員 (30280936)
• Keywords: 第2種超伝導 / 磁束量子 / 相転移 / 相図 / ダイナミクス / 計算機シミュレーション / KT転移 / ジョセフソン効果

Research Abstract

高温超伝導層間ジョセフソン磁束の相転移、相図の理論研究はロンドン理論を始め、有効場理論、摂動理論や繰り込み群等の理論的手法が駆使されたにもかかわらず、統一的な理解が得られていない。その原因は、磁束量子系の多体強相関な特質に、高温超伝導体の層状構造による離散性、非常に異方的な面間・面内相互作用(エネルギーにして4〜5桁の相違)の共存が加わっているためである。これらの困難を克服し、理論的に提案されている層間ジョセフソン磁束相転移の複数のシナリオを検証するため、我々は3次元立方格子に定義された超伝導秩序変数の位相擬スピンXYモデルによる大規模モンテカルロシミュレーションを行っている。
このアプローチは高温超伝導の層状構造がもたらす離散性は格子モデルに合理的に取り入れられ、層間のジョセフソン結合は厳密に取り扱われる;磁束間の長距離的な相互作用を擬スピン間の近距離交換相互作用として取り入れ、プログラムのベクトル化・並列化を最大限に図ることにより、世界最大規模なシミュレーションが可能;特に異方性が大きく、磁場が強い場合、閉じたジョセフソン磁束ループの励起が熱揺らぎの重要なモードになり、他の理論では取り扱いにくいが、本アプローチでは自動的に含まれる;超伝導位相因子のコヒーレンス性から長距離秩序としての超伝導状態の判別、その特異点からジョセフソン磁束の空間的配置に関する情報の取得;内部エネルギー、比熱、電気抵抗等の熱力学量の計算が可能である。
平成15年度の主な研究成果は高磁場に於けるコスタリッツ・サウレス中間相の存在を発見したことである。温度が高温から下がるのにつれて、磁束線液体相から、準長距離な結晶と超伝導秩序を持つKT相を経て、磁束線格子相に変わる。2回の相転移とも連続相転移である。それに対して、低磁場では、相転移は液体相-格子相間一回のみで、1次相転移である。このため、ジョセフソン磁束量子の磁場-温度相図に多重臨界点の存在が分かる。KT中間相の存在はまた、ダイナミクス特性と深く関わることも判明した。

Research Products

• [Publications] Q.-H.Chen, X.Hu: "Nonequilibrium phase transitions of vortex matter in three-dimensional layered superconductors"Physical Review Letters. 90. (117005)1-(117005)4 (2003)
• [Publications] T.Hikihara, T.Momoi, X.Hu: "Spin-chirality duality in a spin ladder with four-spin cyclic exchange"Physical Review Letters. 90. (087204)1-(087204)4 (2003)
• [Publications] A.Tanaka, X.Hu: "Possible spin triplet superconductivity in NaxCoO2/yH2O"Physical Review Letters. 91. (257006)1-(257006)4 (2003)
• [Publications] Q.-H.Chen, X.Hu: "Effect of disorder on driven vortex matter in high-Tc superconductors"International Journal of Modern Physics B. 17. 3433 (2003)
• [Publications] Q.-H.Chen, A.Tanaka, X.Hu: "Evidence for finite temperature glass transition in two dimensions"Physica B. 329-333. 1413-1414 (2003)
• [Publications] Q.-H.Chen, X.Hu: "Dynamical phase diagram of driven vortices in high-Tc superconductors"Journal of Low Temperature Physics. 131. 951-955 (2003)
• [Publications] T.Hikihara, X.Hu: "Numerical renormalization study on magnetic properties of edge states in carbon nanotubes"Physica B. 329-333. 1166-1167 (2003)
• [Publications] T.Hikihara, X.Hu, H.-H.Lin, C.-Y.Mou: "Ground-state properties of nanographite systems with zigzag-shaped edges"Physical Review B. 68. (035432)1-(035432)9 (2003)
• [Publications] A.Tanaka, X.Hu: "Stripe-superconductor duality and the emergence of nodal fermions"Journal of Low Temperature Physics. 131. 203 (2003)
• [Publications] A.Tanaka, X.Hu: "Possible route from stripes and other spatially structured many-electron states to superconductivity"International Journal of Modern Physics B. 17. 3544 (2003)
• [Publications] A.Tanaka, X.Hu: "Role of antiferromagnetic fluctuations on charge ordering and superconductivity as viewed through quantal phases"Physica C. 388-389. 35-36 (2003)
• [Publications] Y.Nonomura, X.Hu: "Bragg-Bose glass phase in vortex states of high-Tc superconductors with sparse columnar defects"International Journal of Modern Physics B. 17. 3427 (2003)
• [Publications] Y.Nonomura, X.Hu: "Evidence of Bragg glass phase in high-Tc vortex states with columnar defects"Physica C. 388-389. 643-644 (2003)
• [Publications] Y.Nonomura, X.Hu: "Numerical study on the vortex states of high-Tc superconductors with point defects : Novel phases in the vortex liquid region"Journal of Low Temperature Physics. 131. 987 (2003)
• [Publications] X.Hu: "Bicritical phenomena and scaling properties of O(5) model"Physica A. 321. 71-80 (2003)
• [Publications] X.Hu: "Pinning effects in vortex states of high-Tc superconductors : MonteCarlo simulations"Journal of Low Temperature Physics. 131. 979-986 (2003)
• [Publications] X.Hu: "Effects of thermal fluctuations and magnetic field in the SO(5) theory"Physica C. 388-389. 61-62 (2003)
• [Publications] X.Hu: "New developments in theory of vortex states in type II supercondutors"Modern Physics Letter B. 17. 725-731 (2003)
• [Publications] X.Hu, Q.-H.Chen: "Computer simulations on the melting phenomena of quantized fluxlines in type II superconductors"International Journal of Modern Physics B. 17. 55-61 (2003)
• [Publications] X.Hu, M.Tachiki: "A KT phase of interlayer Josephson vortex systems in high-Tc superconductors"International Journal of Modern Physics B. 17. 3430-3432 (2003)
• [Publications] T.Momoi, T.Hikihara, M.Nakamura, X.Hu: "Scalar chiral ground states of spin ladders with four-spin exchanges"Physical Review B. 67. (174410)1-(174410)8 (2003)
• [Publications] J.L.Zhu, X.Q.Yu, Z.S.Dai, X.Hu: "Aharonov-Bohm oscillation modes in double-barrier nanorings"Physical Review B. 67. (075404)1-(075404)7 (2003)
• [Publications] X.Yu, J.L.Zhu, X.Hu: "Controllable electronic structures and related properties in a double-barrier nanoring"Applied Physics Letter. 82. 4567-4569 (2003)
• [Publications] J.L.Zhu, Z.S.Dai, X.Hu: "Two electrons in one-dimensional nanorings : Exact solutions and interaction energies"Physical Review B. 68. (045324)1-(045324)7 (2003)