[論文レビュー] CePt3Si: an unconventional superconductor without inversion center

K. V. Samokhin, Eeuwe S. Zijlstra+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2003

Rare-earth and actinide compounds被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、反転対称性を欠く重いフェルミオン超伝導体であるCePt3Siを調査し、強いスピン軌道結合のおかげで時間反転および運動量反転に関して奇対称である超伝導秩序パラメータであることを示している。反転対称性の欠如はギャップ関数に線状ノードを生じさせ、外部磁場が存在しない状態でも非一様なヘリカル超伝導相を可能にする。これは低温における非単純な振る舞いの実験的観察と整合的である。

ABSTRACT

Most superconducting materials have an inversion center in their crystal lattices. One of few exceptions is the recently discovered heavy-fermion superconductor CePt3Si [E. Bauer et al, Phys. Rev. Lett. 92, 027003 (2004)]. In this paper, we analyze the implications of the lack of inversion symmetry for the superconducting pairing. We show that the order parameter is an odd function of momentum, and that there always are lines of zeros in the excitation energy gap for one-component order parameters, which seems to agree with the experimental data. The superconducting phase can be non-uniform, even without external magnetic field, due to the presence of unusual gradient terms in the Ginzburg-Landau free energy. Also, we performed ab initio electronic structure calculations for CePt3Si, which showed that the spin-orbit coupling in this material is strong, and the degeneracy of the bands is lifted everywhere except along some high symmetry lines in the Brillouin zone.

研究の動機と目的

• 反転中心を欠く重いフェルミオン超伝導体CePt3Siにおける対称性およびペアリング機構を理解すること。
• 反転対称性の破れが超伝導秩序パラメータおよびギャップ構造に与える影響を分析すること。
• ギンツブルク＝ランダウ自由エネルギーに一次の勾配項が含まれる場合、非一様超伝導相が生じる可能性を調査すること。
• 強いスピン軌道結合がバンドデゲネラシーをどのように解消し、ペアリング対称性に影響を与えるかを特定すること。

提案手法

• 磁気空間群C4vの群論的解析により、可能な超伝導秩序パラメータを分類する。
• ab initio電子構造計算を用いて、CePt3Siにおけるバンド分散およびスピン軌道結合効果を決定する。
• 一次の勾配項を含む現象論的ギンツブルグ＝ランダウアプローチを用い、超伝導状態の空間非一様性を研究する。
• 時間反転および運動量反転に対する秩序パラメータの対称性分析により、パリティおよびノード構造を特定する。
• スピン軌道結合によるフェルミ面シートの分裂を計算し、フェルミ準拋面におけるCe-4f状態の寄与に特に注目する。
• C4vの一次元表現におけるギャップ対称性を計算し、フェルミ面における線状ノードの位置を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反転対称性の欠如および強いスピン軌道結合を考慮した場合、CePt3Siにおける超伝導秩序パラメータの対称性は何か？
• RQ2 超伝導ギャップ関数における線状ノードはどこに位置し、フェルミ面トポロジーとどのように関係しているか？
• RQ3 外部磁場が存在しない状態でも、CePt3Siにおいて非一様（ヘリカル）な超伝導相が出現する可能性はあるか？
• RQ4 反転対称性の欠如がギンツブルグ＝ランダウ自由エネルギーおよび超伝導状態の安定性に与える影響は何か？
• RQ5 インターバンドペア散乱およびバンド分裂が、異なるフェルミ面シート間のペアリング対称性に及ぼす影響はどの程度か？

主な発見

• CePt3Siにおける超伝導秩序パラメータは、反転対称性の欠如およびパウリの排他原理のおかげで運動量反転（k → -k）に関して奇対称である。
• 超伝導ギャップにおける線状ノードは、高対称性面およびブリユアンゾーンの境界（たとえばk_z = 0, ±π/cおよびk_x = 0, ±π/a）に予測され、温度依存性がべき乗則に従う実験的観察と整合的である。
• 強いスピン軌道結合によりフェルミ面全域でバンドデゲネラシーが解消され、分裂エネルギーは50–200 meVに達するが、Γ–ZおよびA–M対称性線ではゼロに近づく。
• 反転対称性の破れによりギンツブルグ＝ランダウ自由エネルギーに一次の勾配項が含まれ、外部磁場がゼロであっても非一様ヘリカル超伝導状態への転移を駆動する。
• Tcにおける比熱のジャンプが小さく、低温で線形T項を示す比熱データは、一部のフェルミ面シートではギャップ関数が線状ノードを持つが、他のシートではノードレスであることを支持する。
• インターバンドペア散乱により、すべてのフェルミ面シート（α, β, γ）で同じギャップ対称性が誘導されるが、その大きさは異なる。これはバンド分裂が存在しても、統一されたペアリングメカニズムを支持する。