[論文レビュー] Ising superconductivity and magnetism in NbSe$_2$

Darshana Wickramaratne, Sergii Khmelevskyi+2 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2020

Iron-based superconductors research被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（DFT）を用いて、モノレイヤーNbSe₂における大きな面内臨界磁場異方性およびイジング超伝導を説明し、超伝導秩序パラメータにおけるスピン単重状態と三重状態の混合が、従来の純粋なスピン単重状態対の仮定とは対照的に、強磁性不安定性に近接することで駆動されることを明らかにした。本研究は、スピン感受率の増幅と臨界磁場異方性をスピン揺動およびスピン軌道結合に関連づけ、2次元TMDにおける非摂動的超伝導を理解するための第一原理的枠組みを提供する。

ABSTRACT

Recent studies on superconductivity in NbSe$_2$ have demonstrated a large anisotropy in the superconducting critical field when the material is reduced to a single monolayer. Motivated by this recent discovery, we use density functional theory (DFT) calculations to quantitatively address the superconducting properties of bulk and monolayer NbSe$_2$. We demonstrate that NbSe$_2$ is close to a ferromagnetic instability, and analyze our results in the context of experimental measurements of the spin susceptibility in NbSe$_2$. We show how this magnetic instability, which is pronounced in a single monolayer, can enable sizeable singlet-triplet mixing of the superconducting order parameter, contrary to contemporary considerations of the pairing symmetry in monolayer NbSe$_2$, and discuss approaches as to how this degree of mixing can be addressed quantitatively within our DFT framework. Our calculations also enable a quantitative description of the large anisotropy of the superconducting critical field, using DFT calculations of monolayer NbSe$_2$ in the normal state

研究の動機と目的

• バルクNbSe₂における第一原理DFT予測と実験測定値との間の長年の不一致、すなわち超伝導転移温度およびスピン感受率の不一致を解消すること。
• モノレイヤーNbSe₂で実験的に観測された大きな面内臨界磁場異方性（パウリ限界を超過）を説明すること。
• スピン揺動およびスピン軌道結合が、強いスピン偏極対を有するイジング超伝導を可能にする役割を解明すること。
• 2次元材料における超伝導秩序パラメータの単重状態・三重状態混合を記述する定量的DFTベースの枠組みを構築すること。
• フェルミ準拠面近くの強磁性不安定性を同定することで、NbSe₂におけるスピン感受率の増幅を理論的予測と実験的観測を一致させること。

提案手法

• バルクおよびモノレイヤーNbSe₂における電子構造、スピン感受率、電子-格子結合を計算するために密度汎関数理論（DFT）を用いる。
• DFTで得られた常態パラメータを用いて、パウリ反磁気的限界磁場式を用いて臨界磁場異方性をモデル化する。
• 特に、角度依存のスピン軌道結合 $λ\cos(3\varphi)$ を有する $̳$-中心ポケットに起因するフェルミ準拠面トポロジーからスピン感受率補正を導出する。
• 単重状態・三重状態混合をモデル化するため、非対角および対角の電子-格子結合およびスピン揺動結合定数 $g_{ij}(k,k')$ を定式化する。
• 超伝導状態におけるスピン感受率に対数補正を適用し、$̳$ ポケットのノードを考慮に入れ、臨界磁場式を修正する。
• DFTで得られたスピン軌道分裂およびギャップパラメータを用いて有効臨界磁場異方性を計算し、$̳$-ポケットの寄与により、有限ではあるが非常に大きな（約10³）異方性であることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜDFTはバルクNbSe₂において実験値よりも高い超伝導転移温度およびギャップを過剰に予測するのか？
• RQ2 なぜNbSe₂におけるスピン感受率は、基本的なパウリ感受率を上回るのか？
• RQ3 モノレイヤーNbSe₂における逆格子対称性の欠如が、大きな面内臨界磁場異方性を示すイジング超伝導をどのようにもたらすのか？
• RQ4 スピン揺動によって誘発される単重状態・三重状態混合が、モノレイヤーNbSe₂における超伝導対形成にどの程度寄与するのか？
• RQ5 なぜ臨界磁場異方性は有限ではあるが極めて大きく、実際の系では何がその値を制限するのか？

主な発見

• DFT計算により、NbSe₂が強磁性不安定性に近接していることが判明し、実験的に観測されたスピン感受率の増幅を説明できる。
• モノレイヤーNbSe₂における大きな面内臨界磁場異方性は、強いスピン軌道結合と、角度依存のスピン分裂を有する $̳$-ポケットの両方の寄与によって生じており、異方性は $10^3$ に達する。
• スピン揺動はスピン単重状態チャネルを顕著に抑制し、スピン三重状態チャネルを強化することで、超伝導秩序パラメータにおける顕著な単重状態・三重状態混合を引き起こす。
• 臨界磁場異方性は、$̳$-ポケットにおけるスピン感受率の対数補正に起因し、$\Delta/\lambda$ の比に敏感であるため、有限ではあるが非常に大きな値を示す。
• モデルにより、基板に起因するラシバスピン軌道結合および不純物散乱が、実際のデバイスにおける臨界磁場異方性の制限要因として、フェルミ準拠面トポロジーに比べてより効果的であることが示された。
• 本研究は、2次元材料における非単重状態超伝導を記述する定量的DFTフレームワークを提供し、従来の純粋な単重状態対仮定に基づくモデル仮定を是正した。