Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11422/29352

Type: Tese
Title: Superconducting properties of some strongly correlated fermionic systems
Author(s)/Inventor(s): Fontenele, Rodrigo Alves
Advisor: Santos, Raimundo Rocha dos
Co-advisor: Costa, Natanael de Carvalho
Abstract: Ao longo desta tese, investigamos as propriedades de alguns sistemas fermiônicos fortemente correlacionados, com foco nas transições de fase supercondutoras e na ordenação de carga. Em vista dos recentes experimentos com átomos fermiônicos ultrafrios em redes óticas, que renovaram o interesse no estudo do modelo de Hubbard atrativo (AHM), realizamos extensivos estudos livres do problema do sinal utilizando o método de Monte Carlo Quântico Determinantal (DQMC) para este modelo em uma rede quadrada. Obtivemos um diagrama de fases detalhado para a temperatura crítica supercondutora, Tc, em função do preenchimento da banda, ⟨n⟩, e da intensidade da interação atrativa, U, a partir do qual identificamos uma região relativamente ampla |U|/t ≈ 5 }1 (t é a amplitude de hopping) e ⟨n⟩ ≈ 0.79 } 0.09, levando a um máximo de Tc ≈ 0.16t. Destacamos ainda duas escalas adicionais de temperatura: a de formação de pares, Tp, e a de degenerescência, Td. A primeira define a escala de formação dos pares (acreditando-se estar intimamente relacionada à escala da abertura de gap para excitações de spin nos cupratos), enquanto a segunda estabelece a escala dos efeitos quânticos dominantes. Nossos dados de DQMC para a distribuição de sítios duplamente ocupados, para a função de distribuição de momento e para o peso de quase-partícula exibem características distintas em ambos os lados do cruzamento BCS-BEC, além de sugerirem um possível cruzamento subjacente entre comportamentos de líquido de Fermi e não-Fermi. No entanto, as temperaturas críticas supercondutoras (ou superfluidas), Tc, ainda são um pouco menores do que as menores temperaturas alcançadas nos experimentos. Assim, analisamos como a supercondutividade pode ser aprimorada por empilhamento, estudando geometrias de bicamada e de rede cúbica tridimensional para identificar as condições sob as quais Tc pode aumentar. Descobrimos que, com uma escolha adequada do preenchimento e da intensidade da atração local, um bicamada pode apresentar valores de Tc entre 1.5 e 1.7 vezes superiores aos da monocamada; já para a rede cúbica simples, o aumento pode ser até 30% maior do que o máximo observado na monocamada. Também verificamos a precisão de uma estimativa do tipo BCS para Tc no modelo de Hubbard atrativo, bem como de um limite superior para Tc baseado no peso superfluido. Além disso, avaliamos o papel do hopping de segundos vizinhos, t′, no ajuste da densidade de estados no nível de Fermi, o que afeta as propriedades supercondutoras. Nossos resultados indicam que uma escolha criteriosa de t′ pode aumentar Tc em até 50% em comparação com o caso em que há apenas hopping de primeiros vizinhos. Em contrapartida, Tp diminui com o aumento de |t′/t|, o que deve representar uma redução da região de pseudogap, favorecendo um comportamento mais próximo ao BCS no regime de acoplamento intermediário. Analisamos ainda a densidade de estados interagente para caracterizar a transição de um regime de pseudogap para um estado supercondutor com um gap completamente aberto. Esses achados sugerem que o hopping para segundos vizinhos pode ser uma rota viável para aumentar Tc a valores mais próximos das escalas de temperatura acessíveis experimentalmente. Por fim, investigamos o impacto do acoplamento spin-órbita Rashba nas fases de ordenamento de carga em um modelo tipo Holstein em uma rede quadrada em banda semi-preenchida, utilizando a teoria de campo médio, teoria de perturbação em clusters e o método DQMC. Como resultado, mostramos que a fase de onda de densidade de carga no estado fundamental não é destruída conforme o parâmetro de acoplamento spin-órbita de Rashba, α, aumenta. Além disso, no regime de acoplamento spin-órbita puro, onde o termo de hopping está ausente, encontramos um diagrama de fases rico, apresentando um estado de semicondutor para baixos valores do acoplamento elétron-fônon e uma consequente transição para estados de onda de densidade de carga em altas intensidades desse acoplamento. Além disso, identificamos a coexistência de estados supercondutores e de onda de densidade de carga para altas frequências de fônon.
Abstract: Throughout this thesis, we investigate the properties of some strongly correlated fermionic systems, focusing on the superconducting phase transitions and Charge ordering. In view of recent experiments with ultracold fermionic atoms in optical lattices, which have renewed interest in the study of the attractive Hubbard model (AHM), we have performed an extensive minus-sign–free Determinant Quantum Monte Carlo (DQMC) studies of this model on a square lattice. We have obtained a detailed phase diagram for the critical superconducting temperature, Tc, in terms of the band filling, ⟨n⟩, and interaction strength, U, from which we pinpoint a somewhat wide region |U|/t ≈ 5±1 (t is the hopping amplitude) and ⟨n⟩ ≈ 0.79±0.09 leading to a maximum Tc ≈ 0.16t. Two additional temperature scales, namely pairing, Tp, and degeneracy, Td, have been highlighted: the former sets the scale for pair formation (believed to be closely related to the scale for the gap of spin excitations in cuprates), while the latter sets the scale for dominant quantum effects. Our DQMC data for the distribution of doubly occupied sites, for the momentum distribution function, and for the quasiparticle weight show distinctive features on both sides of the BCS-BEC crossover, being also suggestive of an underlying crossover between Fermi- and non-Fermi liquid behaviors. However, the superconducting (superfluid) critical temperatures Tc’s are still somewhat smaller than the lowest temperatures achieved in experiments. We then analyze how superconductivity can be enhanced by layering, studying bilayer and three-dimensional cubic lattice geometries to identify conditions under which Tc increases. We have found that by a judicious choice of fillings and intensity of on-site attraction, a bilayer can exhibit Tc’s between 1.5 and 1.7 times those of the single layer; for the simple-cubic lattice the enhancement can be 30% larger than the maximum for the single layer. We also check the accuracy of both a BCS-like estimate for Tc in the attractive Hubbard model as well as of an upper bound for Tc based on the superfluid density. Additionally, we assess the role of next-nearest neighbor hopping, t′, in tuning the density of states at the Fermi level, which affects superconducting properties. Our results show that a judicious choice of t′ can increase Tc by up to 50% compared to the case with only nearest-neighbor hopping. In contrast, Tp decreases with increasing |t′/t|, which should represent a reduction of the pseudogap region, favoring a more BCS-like behavior at intermediate coupling. We further analyze the interacting density of states to characterize the transition from a pseudogap regime to a fully gapped superconducting state. These findings suggest that NNN hopping could be a viable route to increase Tc to values closer to experimentally accessible temperature scales. Finally, we investigate the impact of Rashba spin-orbit coupling on charge-ordered phases in a Holstein-like model on a square lattice at half-filling band, within a mean-field, cluster perturbation theory and DQMC approach. As result, we show that the ground state charge density wave phase is not destroyed when the Rashba spin-orbit coupling parameter α is increasing. In addition, in a pure Rasbha spin-orbit coupling regime, where the hopping parameter is absent, we found a rich phase diagram with semimetal for low values of electron-phonon coupling and consequent transition to change density wave states for high intensities of electron-phonon coupling. Furthermore, there is a coexistence of superconducting and charge density wave states for a high phonon frequency and electron-phonon coupling.
Keywords: Supercondutividade
Modelo de Hubbard atrativo
Monte Carlo Quântico
Modelo de Holstein
Acoplamento spin-orbita Rashba
Superconductivity
Ultracold Atoms
Optical Lattices
Attractive Hubbard Model
Quantum Monte Carlo
Holstein Model
Rashba Spin-Orbit Coupling
Subject CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Program: Programa de Pós-Graduação em Física
Production unit: Instituto de Física
Publisher: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Issue Date: 6-May-2025
Publisher country: Brasil
Language: eng
Right access: Acesso Aberto
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