[論文レビュー] Introduction to superconductivity in metals without inversion center

V. P. Mineev, Manfred Sigrist|ArXiv.org|Apr 20, 2009

Rare-earth and actinide compounds参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、非中心対称金属における反対称スピン軌道結合が電子バンドを分裂させ、スピン回転対称性を破る状況下での超伝導の理論的枠組みを提供する。多バンドギンツブルグ＝ランダウ汎関数を導出し、磁気電気効果がパラ磁性制限を顕著に抑制することを示している。特に、短いコherence長を有する重いフェルミオン系において顕著である。

ABSTRACT

This Chapter gives a brief introduction to some basic aspects metals and superconductors in crystal without inversion symmetry. In a first part we analyze some normal state properties which arise through antisymmetric spin-orbit coupling existing in non-centrosymmetric materials and show its influence on the de Haas-van Alphen effect. For the superconducting phase we introduce a multi-band formulation which naturally arises due the spin splitting of the bands by spin-orbit coupling. It will then be shown how the states can be symmetry classified and their relation to the original classification in even-parity spin-singlet and odd-parity spin-triplet pairing states. The general Ginzburg-Landau functional will be derived and applied to the nucleation of superconductivity in a magnetic field. It will be shown that magneto-electric effects can modify the standard paramagnetic limiting behavior drastically.

研究の動機と目的

• 反対称スピン軌道結合による非中心対称金属の正常状態電子構造を理解すること。
• 反対称性の欠如下でスピン分裂バンドから生じる多バンド超伝導理論を構築すること。
• 対称性の原則を用いて、従来のスピン・シンギュラート/トリプレット対称性を超える超伝導状態を分類すること。
• 非中心対称超伝導体に一般化されたギンツブルグ＝ランダウ汎関数を導出すること。
• 磁気電気結合が磁場中における超伝導のパラ磁性制限挙動にどのように影響するかを調査すること。

提案手法

• 反対称スピン軌道結合を有する二バンドハミルトニアンに基づく形式的枠組みを用い、kに依存する量子化軸を持つスピン分裂バンドを導出する。
• ユニタリ変換を用いてハミルトニアンをエネルギー ξ±(k) = ξ(k) ± |γ(k)| を持つバンド表現に対角化する。
• スピン軌道結合および磁場効果を組み込んだ多バンドギンツブルグ＝ランダウ自由エネルギー汎関数を導出する。
• ゼーマン結合および磁気電気効果に起因する場依存項を含む、変分法によるギンツブルグ＝ランダウ方程式の解法。
• パラ磁性シフト M(H) および指数関数的要因 I = exp(−2eHZ₀²) を組み込み、場による抑制をモデル化する。
• 臨界温度 Tc を磁場関数として分析し、QxxH² による抑制および Kxy²H²/4K₁ による増幅を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非中心対称金属における反対称スピン軌道結合は、正常状態の電子バンド構造およびデ・ハース＝ヴァン・アルフェン効果にどのように影響するか？
• RQ2 スピン回転対称性が破れている状況下で、多バンド性が超伝導ペアリングに果たす役割は何か？
• RQ3 磁気電気効果は、磁場中における従来のパラ磁性制限をどのように変化させるか？
• RQ4 反対称性およびスピン回転対称性の破れを持つ非中心対称系における超伝導を記述するため、ギンツブルグ＝ランダウ理論を一般化できるか？
• RQ5 なぜ非中心対称超伝導体では、従来のものと比較してパラ磁性抑制が弱いのか？

主な発見

• 反対称スピン軌道結合が誘導する二バンド構造は、自然にスピン・シンギュレート／トリプレット混合状態への超伝導秩序パラメータの分解をもたらす。
• 臨界温度 Tc は磁場により Tc = T̃c₀(1 − M(H)) で低下し、M(H) には軌道的および磁気電気的寄与が含まれる。
• 磁気電気項 ∝ Kxy²H²/4K₁ はパラ磁性抑制を相殺し、標準的なポールイ制限挙動を顕著に弱める。
• スピン軌道分裂のおかげで、非中心対称超伝導体におけるパラ磁性抑制は顕著に弱く、混合ペアリング対称性のおかげではない。
• 二バンド性のおかげで、超伝導状態におけるスピン感受率は正常状態の値に近いまま維持され、スピン偏極効果が低減する。
• このモデルは、小さなコherence長を有する重いフェルミオン系では、磁気電気効果によって上臨界磁場が増幅され、パラ磁性制限が観測可能になると予測する。