Μελέτη ανομοιογενών ηλεκτρονικών καταστάσεων σε υλικά ισχυρά συσχετισμένων φορέων

Abstract

The first part of this thesis focuses on the study of novel magnetic field induced phenomena in strongly correlated electron systems which exhibit competition and/or coexistence of multiple quantum states of matter. These states are linked together by symmetry and under given circumstances may appear all together simultaneously, thus forming a pattern of coexisting condensates. Two of these patterns were studied thoroughly via a generalized effective, mean-field scheme and utilizing a spinor formalism. The first pattern consists of two superconducting states known as dx2-y2 singlet and π-triplet, and the itinerant antiferromagnetic state known as Spin Density Wave (SDW). Detailed studies led to the discovery of novel field-induced superconducting transitions which exhibit the characteristics of FFLO phases. However, throughout these transitions, the system enters a phase where all three ordered states coexist, thus forming a new inhomogeneous complex state of matter. Concerning this system, we report here for the first time self-consistent calculations of experimentally measurable quantities such as the NMR Knight shift and the spin-lattice relaxation rate. The second pattern which was studied, consists of the particle-hole condensates of commensurate Charge/Spin Density Waves (CDW/SDW) and itinerant ferromagnetism. It is shown that under general conditions, the application of a magnetic field to a CDW insulator, can lead to a cascade of double-step metamagnetic transitions which is accompanied by the emergence of the coexistence pattern formed by the aforementioned condensates. These transitions can exhibit semimetalic behavior and, under certain circumstances, even colossal magnetoresistance. The study of these condensates is supplemented with original calculations of the static and optical magnetoconductivity. The second part of this thesis focuses on the physics of the newly discovered iron pnictide superconductors. We studied systematically the symmetry of the superconducting gap of the electron and hole doped compounds, by employing realistic multiband numerical calculations and a small-q phonon theory. We demonstrate, for the first time, that the nodeless superconducting symmetry of the s± type can emerge via a phonon mechanism in these materials. Moreover, it is shown that our theory may provide a plausible explanation for the contradicting isotope effect observations that have been reported for these compounds. Depending on the doping level, our solutions include several unconventional symmetries. Perhaps our most unexpected finding is the observation of a p-wave triplet symmetry which has recently been suggested to formulate in LiFeAs. The last part of this thesis focuses especially on this material. In conclusion, the results obtained in this part of the present thesis, indicate that a large number of controversial observations on the pnictides may be well explained through a phonon based theory, thus emphasizing the importance of the role of phonons to the superconducting pairing of these materials.

Το πρώτο μέρος της παρούσας διατριβής πραγματεύεται νέα φαινόμενα επαγόμενα από την εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου σε συστήματα ισχυρά συσχετισμένων φορέων τα οποία παρουσιάζουν ανταγωνισμό και συνύπαρξη μεταξύ πολλών κβαντικών καταστάσεων τάξης. Εφαρμόζοντας μια γενικευμένη ενεργό σπινοριακή θεωρία μέσου-πεδίου, μελετήθηκαν λεπτομερώς δύο μοτίβα συνυπάρχοντων συμπυκνωμάτων. Το πρώτο περιλαμβάνει τις υπεραγώγιμες καταστάσεις τύπου dx2-y2 singlet και π-triplet και την αντισιδηρομαγνητική κατάσταση γνωστή ως Κύμα Πυκνότητας Σπιν. Λεπτομερής μελέτη οδήγησε στην ανακάλυψη νέων υπεραγώγιμων μεταβάσεων επαγόμενων από το πεδίο οι οποίες φέρουν τα χαρακτηριστικά των FFLO φάσεων. Ωστόσο, κατά τις μεταβάσεις αυτές, το σύστημα μεταβαίνει σε μια φάση όπου και οι τρεις καταστάσεις τάξης συνυπάρχουν οδηγώντας έτσι στην εμφάνιση μιας νέας ανομοιογενούς σύνθετης κατάστασης της ύλης. Για το σύστημα αυτό υπολογίστηκαν και οι μαγνητικές του ιδιότητες όπως η μετατόπιση κατά Knight και ο ρυθμός εφησύχασης σπιν-πλέγματος NMR. Το δεύτερο μοτίβο που μελετήθηκε αποτελείται από τα συμπυκνώματα ηλεκτρονίου-οπής σύμμετρων Κυμάτων Πυκνότητας Φορτίου/Σπιν (ΚΠΦ/ΚΠΣ) και σιδηρομαγνητισμού ζώνης. Αποδεικνύεται ότι κάτω από γενικές συνθήκες, η εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου σε έναν μονωτή τύπου ΚΠΦ, μπορεί να οδηγήσει σε μια σειρά μεταμαγνητικών μεταβάσεων «διπλού σκαλοπατιού» η οποία συνοδεύεται από την εμφάνιση του μοτίβου συνύπαρξης των εν λόγω συμπυκνωμάτων και χαρακτηρίζεται από ημιμεταλλική συμπεριφορά και, υπό ορισμένες συνθήκες, κολοσσιαία μαγνητοαντίσταση. H μελέτη των συμπυκνωμάτων αυτών συμπληρώνεται από υπολογισμούς της στατικής και οπτικής μαγνητοαντίστασης. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής ασχοληθήκαμε με την φυσική των νεοανακαλυφθέντων υπεραγωγών πνικτιδίων του σιδήρου. Μελετήσαμε συστηματικά το υπεραγώγιμο χάσμα των νοθευμένων με ηλεκτρόνια ή με οπές υλικών, μέσω ρεαλιστικών πολυζωνικών αριθμητικών υπολογισμών από την σκοπιά μιας φωνονικής θεωρίας τύπου smal-q. Αποδεικνύεται, για πρώτη φορά, ότι η υπεραγωγιμότητα συμμετρίας s± δίχως κομβικά σημεία μπορεί να προκύψει μέσω ενός φωνονικού μηχανισμού στα υλικά αυτά. Επιπλέον, δείχνουμε ότι η συγκεκριμένη θεωρία μπορεί να εξηγήσει ταυτόχρονα τα αντικρουόμενα ισοτοπικά φαινόμενα τα οποία έχουν αναφερθεί σε αρκετά από τα πνικτίδια. Ανάλογα με τη νόθευση, οι λύσεις που βρίσκουμε συμπεριλαμβάνουν και άλλες μη συμβατικές συμμετρίες. Η πιο απροσδόκητη είναι ίσως η εύρεση p σπιν triplet συμμετρίας, η οποία φαίνεται να παρατηρήθηκε στο LiFeAs. Το τελευταίο μέρος της διατριβής επικεντρώνεται στο υλικό αυτό. Συνολικά, τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι μια πληθώρα ανεξήγητων παρατηρήσεων στα πνικτίδια μπορεί να ερμηνευτεί μέσω μιας φωνονικής θεωρίας, ενισχύοντας έτσι την άποψη ότι ο ρόλος των φωνονίων στην υπεραγωγιμότητα των υλικών αυτών είναι ιδιαίτερα σημαντικός.