Strong pairing and microscopic inhomogeneity of lattice fermion systems

格子フェルミシステムの強いペアリングと微視的非一様性

山田 進  ; 町田 昌彦  ; 大橋 洋士*; 松本 秀樹*

Yamada, Susumu; Machida, Masahiko; Ohashi, Yoji*; Matsumoto, Hideki*

高温超伝導体は、超伝導の強さを特徴づける超伝導ギャップの大きさが空間的に非一様に変化していることが複数の実験から示され、本質的に非一様な超伝導状態が実現している可能性が指摘されている。その一方、フェルミ原子ガスでは、相互作用が制御できるうえ、二つの対向するレーザーにより周期ポテンシャルが実現できることから、高温超伝導体と同じ状態を実験できる特徴を持っている。そこで、本研究では、著者らが開発したフェルミ原子ガスのシミュレーションプログラムを利用し、非一様性を持つ超伝導(超流動)がなぜ現れるのかを明らかにすることを目標とした。本プログラムを用いた系統的なシミュレーションの結果から、強い引力とそして、わずかな並進対称性の破れから、超伝導(超流動)を引き起こすクーパーペア間に強い相関が働き、非一様性が生じ、超伝導(超流動)と共存することを初めて見いだした。また、その非一様性の起源がクーパーペア間の相関効果であることが理解できた。これは、格子上で強い引力を及ぼし合うフェルミ粒子系に普遍的な振る舞いであり、今後、さまざまな系で発見されるか、再確認される可能性があると考えられる。

In order to study an interplay between electronic inhomogeneity and superconductivity as seen in High-Tc cuprates as well as to predict effects of optical lattice in atomic Fermi gases, we numerically examine attractive Hubbard model in the absence of the translation symmetry. For the purpose, we systematically calculate the particle density profile for both 1-D and 2-D attractive Hubbard models with harmonic potential wells using the exact diagonalization and the density-matrix renormalization group methods. The numerical results reveal that fine inhomogeneous zigzag patterns universally emerge in the 1-D model case and the zig-zag structure becomes checkerboard type in the 2-D one. Moreover, it is numerically and theoretically found that such inhomogeneities are caused by double occupation component, i.e., pairs tightly bound on a site. These calculation results are universal for many-body Fermi-particle systems on lattice. We predict that the behavior described above is widely observable from atomic Fermi gas to strong coupled superconductors including High-Tc superconductors.