[論文レビュー] Knight Shift and Leading Superconducting Instability From Spin Fluctuations in Sr2RuO4

Astrid T. Rømer, Scherer, D. D.+3 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2019

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、スピン軌道結合とハンズ結合を含む現実的なモデルを用いて、Sr2RuO4におけるスピンフラクチュエーション媒介超伝導を調査する。偶パリティの擬スピン singlet状態が相図全体にわたり支配的であるが、スピン軌道結合が近ノードの奇パリティ三重項状態（ヘリカルまたはキラル）を安定化させることを示している。驚くべきことに、$s^\prime$-波と$d_{x^2-y^2}$-波状態の近い簡退は、時間反転対称性破れの$s^\prime + i d_{x^2-y^2}$状態の可能性を示唆している。キーンシフトの計算では、面内および面外磁場における温度依存的シグネチャーが明確に異なることが判明し、長年のキラル三重項対称性の仮説に挑戦する。

ABSTRACT

Recent nuclear magnetic resonance studies [A. Pustogow {\it et al.}, arXiv:1904.00047] have challenged the prevalent chiral triplet pairing scenario proposed for Sr$_2$RuO$_4$. To provide guidance from microscopic theory as to which other pair states might be compatible with the new data, we perform a detailed theoretical study of spin-fluctuation mediated pairing for this compound. We map out the phase diagram as a function of spin-orbit coupling, interaction parameters, and band-structure properties over physically reasonable ranges, comparing when possible with photoemission and inelastic neutron scattering data information. We find that even-parity pseudospin singlet solutions dominate large regions of the phase diagram, but in certain regimes spin-orbit coupling favors a near-nodal odd-parity triplet superconducting state, which is either helical or chiral depending on the proximity of the $γ$ band to the van Hove points. A surprising near-degeneracy of the nodal $s^\prime$- and $d_{x^2-y^2}$-wave solutions leads to the possibility of a near-nodal time-reversal symmetry broken $s^\prime+id_{x^2-y^2}$ pair state. Predictions for the temperature dependence of the Knight shift for fields in and out of plane are presented for all states.

研究の動機と目的

• 最近のNMRデータが超伝導転移温度$T_c$未満でキーンシフトの低下を示しているのを受けて、Sr2RuO4における超伝導対称性のメカニズムを、支配的とされるキラル三重項対称性を超えて再表現すること。
• スピン軌道結合とハンズ結合が、多軌道的かつスピン異方性を持つ系における主要な超伝導不安定性に与える影響を調査すること。
• キーンシフトの理論的予測（面内および面外磁場）を、キラル三重項対称性の予想される温度不変性と矛盾する最新の実験データと比較すること。
• フェルミ表面のトポロジーとスピンフラクチュエーションの異方性を含む現実的な電子的パラメータ下で、偶パリティスピン singlet状態と奇パリティ三重項状態の安定性を調査すること。

提案手法

• スピンフラクチュエーションに基づく手法として、ランダム位相近似（RPA）を用いて有効対称性相互作用を計算し、現実的なスピン軌道結合とハンズ結合を組み込む。
• 電子構造は、スピン軌道結合を含む多軌道タイトビンディングハミルトニアンでモデル化し、擬スピン基底に変換することでスピン singlet およびスピン三重項成分を記述する。
• 線形化ギャップ方程式を数値的に解き、主要な超伝導チャネルを特定する。ギャップ関数は、最近接のフェルミ表面点にガウス減衰を施してブリユアンゾーン全体に拡張する。
• キーンシフトは、ゼロ運動量におけるスピン感受率の実部として計算され、ギャップ大きさの温度依存性はBCS形式を用いる。
• スピン感受率とギャップ構造を、スピン軌道結合強度および相互作用パラメータの範囲でマッピングし、光電子分光および中性子散乱データと比較する。
• 変換行列を用いて擬スピン基底からのコープスール対の電子スピン性を再構成し、実スピンチャネルにおけるスピン singlet/triplet 重みの分析を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sr2RuO4におけるスピンフラクチュエーション媒介対称性が、パラメータ空間の広い領域で偶パリティ擬スピン singlet 状態を安定化させ、奇パリティ三重項対称性の優位性に挑戦できるか？
• RQ2 スピン軌道結合が、特に近ノードの奇パリティ三重項状態を favour する主要な超伝導不安定性の性質に与える影響は何か？
• RQ3 異なる対称性状態における面内および面外磁場下でのキーンシフトの予測される温度依存性は何か？ そして、最近の実験データとどのように比較できるか？
• RQ4 スピンフラクチュエーションの異方性およびフェルミ表面トポロジーが、超伝導ギャップの安定性と対称性に与える影響は何か？
• RQ5 $s^\prime$-波と$d_{x^2-y^2}$-波状態の近い簡退が、時間反転対称性破れの$s^\prime + i d_{x^2-y^2}$超伝導状態を生じる可能性を示唆するか？

主な発見

• スピン軌道結合および相互作用パラメータの広い範囲において、偶パリティ擬スピン singlet 解が相図全体にわたり支配的である。
• スピン軌道結合が強く、γバンドがヴァン・ホーフェ点に近い場合、近ノードの奇パリティ三重項状態（ヘリカルまたはキラル）が主要な不安定性として出現する。
• 驚くべきことに、$s^\prime$-波と$d_{x^2-y^2}$-波状態の近い簡退が、時間反転対称性破れの$s^\prime + i d_{x^2-y^2}$超伝導状態の可能性を生じさせる。
• キラル三重項状態における面内キーンシフトは、$T_c$未満で顕著に低下するが、実験観測ではキーンシフトの低下が確認されており、これは偶パリティスピン singlet または混合状態を支持する。
• スピン軌道結合が存在する場合、完全ギャップを持つスピン singlet 状態に対しても、面外キーンシフトの抑制は顕著でない。これはスピン singlet-triplet 混在性に起因する。
• ヘリカル三重項状態では、同じスピン三重項チャネルに主要な重みが存在するが、$s^\prime$-波状態は主要なスピン singlet 特性を示し、わずかな三重項混合成分を有する。