[論文レビュー] Nature of unconventional pairing in the kagome superconductors AV$_3$Sb$_5$

Xianxin Wu, Tilman Schwemmer+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、kagome超伝導体AV₃Sb₅における非単純な超伝導性が、サブラットス干渉と非局所的クーロン反発によって駆動されるf波ペアリング対称性に起因すると提案している。六バンドタイトバインディングモデルとランダム位相近似（RPA）を用い、現実的なパラメータ条件下でf波ペアリングが支配的であることが特定され、ノードのないバルクギャップ、トポロジカル的表面状態、および低温で有限の熱伝導度を示すような明確な実験的シグネチャを予測している。

ABSTRACT

The recent discovery of AV$_3$Sb$_5$ (A=K,Rb,Cs) has uncovered an intriguing arena for exotic Fermi surface instabilities in a kagome metal. Among them, superconductivity is found in the vicinity of multiple van Hove singularities, exhibiting indications of unconventional pairing. We show that the sublattice interference mechanism is central to understanding the formation of superconductivity in a kagome metal. Starting from an appropriately chosen minimal tight-binding model with multiple with multiple van Hove singularities close to the Fermi level for AV$_3$Sb$_5$, we provide a random phase approximation analysis of superconducting instabilities. Non-local Coulomb repulsion, the sublattice profile of the van Hove bands, and the bare interaction strength turn out to be the crucial parameters to determine the preferred pairing symmetry. Implications for potentially topological surface states are discussed, along with a proposal for additional measurements to pin down the nature of superconductivity in AV$_3$Sb$_5$.

研究の動機と目的

• AV₃Sb₅における非単純な超伝導性の起源を理解すること。この系は複数のvan Hove特異点の近くで超伝導を示す。
• サブラットス干渉と非局所的クーロン反発が、非単純なペアリング対称性の安定化に果たす役割を特定すること。
• AV₃Sb₅の本質的電子構造を捉える最小限のタイトバインディングモデルにおいて、支配的ペアリングチャネルを同定すること。
• f波ペアリングの実験的検証が可能なシグネチャ、特にノード構造と熱力学的応答を予測すること。
• kagome金属における電子相関、van Hove特異点、トポロジカル的表面状態の間の相乗的相互作用を明確にすること。

提案手法

• AV₃Sb₅におけるフェルミ準位付近の複数のvan Hove特異点を捉えるために、六バンド最小タイトバインディングモデルを構築した。
• 電子間相互作用に起因する超伝導不安定性を分析するために、ランダム位相近似（RPA）を適用した。
• サブラットス干渉メカニズムに裏付けられた、有効ペアリング相互作用の増強を踏まえ、非局所的クーロン反発を明示的に含めた。
• van Hoveバンドのサブラットスプロファイルと相互作用強度を変化させ、ペアリング対称性の相図をマップした。
• エッジおよびバルクスペクトル関数を計算し、開境界条件下でのf波チャネルにおけるトポロジカル的表面状態とゼロエネルギーのアンドレーエフ束縁状態を同定した。
• 比熱、熱伝導度、浸透深度などの熱力学的および輸送的応答を分析し、低温におけるスケーリング行動を予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小モデルにサブラットス干渉と非局所的クーロン反発を含めた場合、AV₃Sb₅におけるどのペアリング対称性が優勢となるか？
• RQ2 フェルミ準位付近の複数のvan Hove特異点が、非単純な超伝導性の出現にどのように寄与するか？
• RQ3 AV₃Sb₅におけるf波ペアリングの明確な実験的シグネチャ、特に熱的およびスピン応答においては何か？
• RQ4 圧力下での観測されたドーム型の超伝導相図は、個々のvan Hoveバンドの変化によって説明可能か？
• RQ5 f波超伝導相におけるトポロジカル的表面状態の役割は何か？また、エッジスペクトルにどのように現れるか？

主な発見

• サブラットス干渉と非局所的クーロン反発に起因し、広い相互作用強度範囲においてf波ペアリングチャネルが支配的であることが判明した。
• f波オーダーパラメータは時間反転対称性を破り、回転対称性によって保護されたノードを有し、低温で有限の熱伝導度を示す。
• バルクギャップはノードなしで、浸透深度測定と整合的である。一方、ノード構造は、開境界条件下でのエッジにゼロエネルギーのアンドレーエフ束縁状態を生じる。
• 低温における比熱は2乗に比例し、熱伝導度は線形に、NMR緩和率は3乗に比例する——これらはf波ペアリングの特徴的なシグネチャである。
• モデルは圧力下で超伝導転移温度に二重ドームを予測しており、これは個々のvan Hoveバンドのシフトに起因すると解釈できる。
• スピン三重項のf波ペアリングは、冷却に伴ってスピン感受率を維持すると予想され、キーン・シフト測定によって明確なテストが可能となる。