[論文レビュー] Evening out the spin and charge parity to increase T$_c$ in unconventional superconductors

Swagata Acharya, Dimitar Pashov+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2018

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、一軸ひずみを用いてスピンおよび電荷揺らぎを調整することで、非対称的超伝導体におけるT$_c$の向上を図る新しいメカニズムを提案する。*ab initio* GW+DMFT手法を用いて、ひずみが三重項対形成を抑制し、偶数パリティチャンネルにおける協同的スピンおよび電荷揺らぎを通じて対称状態成分を強化することを示し、Sr$_2$RuO$_4$におけるT$_c$の増加に寄与することを明らかにした。

ABSTRACT

Unconventional superconductivity in Sr$_{2}$RuO$_{4}$ has been intensively studied for decades. The origin and nature of the pairing continues to be widely debated, in particular, the possibility of a triplet origin of Cooper pairs. However, complexity of Sr$_{2}$RuO$_{4}$ with multiple low-energy scales, involving subtle interplay among spin, charge and orbital degrees of freedom, calls for advanced theoretical approaches which treat on equal footing all electronic effects. Here we develop a novel approach, a detailed \emph{ab initio} theory, coupling quasiparticle self-consistent \emph{GW} approximation with dynamical mean field theory (DMFT), including both local and non-local correlations. We report that the superconducting instability has multiple triplet and singlet components. In the unstrained case the triplet eigenvalues are larger than the singlets. Under uniaxial strain, the triplet eigenvalues drop rapidly and the singlet components increase. This is concomitant with our observation of spin and charge fluctuations shifting closer to wave-vectors favoring singlet pairing in the Brillouin zone. We identify a complex mechanism where charge fluctuations and spin fluctuations co-operate in the even-parity channel under strain leading to increment in $T_c$, thus proposing a novel mechanism for pushing the frontier of $T_c$ in unconventional `triplet' superconductors.

研究の動機と目的

• Sr$_2$RuO$_4$における対称性の長年の論争を解決し、特にクーペル対の性質を解明すること。
• 非対称的超伝導体におけるスピン、電荷、軌道自由度の複雑な相互作用を解明すること。
• 局所的および非局所的相関を同等に扱う統一的な理論枠組みを構築すること。
• 外部的ひずみが超伝導対形成チャンネルに与える影響を調査し、T$_c$の向上を実現すること。

提案手法

• 電子バンド構造およびスクリーニング効果を正確に記述するため、準粒子自己エネルギーを自己無撞撃的に求める*GW*近似を用いる。
• *GW*と動的平均場理論（DMFT）を組み合わせ、局所的および非局所的電子相関効果を同時に取り入れる。
• 得られた*ab initio*電子構造を基に、パラケット動的頂点近似を用いて超伝導対形成不安定性を計算する。
• 一軸ひずみ下での異なる対称性チャンネル（対称状態および三重項）における対形成固有値の進化を分析する。
• ブリユアンゾーン内でのスピンおよび電荷揺らぎの波数ベクトルのシフトを追跡し、対称性の変化を特定する。
• ひずみ下での偶数パリティチャンネルにおけるスピンおよび電荷揺らぎの協同的効果を評価し、T$_c$向上の新メカニズムを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一軸ひずみは、Sr$_2$RuO$_4$における対称状態および三重項対形成チャンネルの相対的安定性にどのように影響するか？
• RQ2 ひずみ下での超伝導対形成を駆動するスピンおよび電荷揺らぎの役割は何か？
• RQ3 偶数パリティチャンネルにおけるスピンおよび電荷揺らぎの協同的効果は、T$_c$の向上に寄与するか？
• RQ4 スピンおよび電荷揺らぎの波数ベクトルはひずみ下でどのように変化し、それらが対称性に与える影響は何か？
• RQ5 観察されたT$_c$の上昇の起源は何か？また、三重項優位性の崩壊とどのように関連しているか？

主な発見

• ひずみなし状態では、三重項対形成固有値が対称状態対形成固有値を上回り、主に三重項対形成状態が支配的であることを支持する。
• 一軸ひずみ下では、三重項固有値が急速に減少する一方で、対称状態成分が顕著に増加する。
• ひずみ下では、スピンおよび電荷揺らぎが偶数パリティ（対称状態）対形成を有利にするブリユアンゾーン内の波数ベクトルにシフトする。
• 偶数パリティチャンネルにおけるスピンおよび電荷揺らぎの協同的メカニズムが、T$_c$の向上を駆動していると特定された。
• 本研究では、揺らぎの一致を促進するようにひずみを工学的に設計することで、非対称的超伝導体におけるT$_c$の向上に新たな道筋を示した。
• *ab initio* GW+DMFTフレームワークは、複数の電子自由度の相互作用を的確に捉え、対形成の進化を定量的に予測可能であることを明らかにした。