[論文レビュー] Odd-parity superconductivity from phonon-mediated pairing

P. M. R. Brydon, S. Das Sarma+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、時間反転および空間反転対称性を有するスピン軌道結合系におけるフォノン媒介奇数パリティ超伝導を調査する。純粋な電子-フォノン結合では、クーロン擬似ポテンシャルが顕著でない限り、三重項状態を基底状態の単重項状態よりも安定化させることができないが、ヘリシティを保存する電子-フォノン頂点が、CuxBi2Se3のような弱い電子相関系において、奇数パリティ超伝導を可能にする。

ABSTRACT

Motivated by the proposed topological state in CuxBi2Se3, we study the possibility of phononmediated odd-parity superconductivity in spin-orbit coupled systems with time-reversal and inversion symmetry. For such systems, we show that, in general, pure electron-phonon coupling can never lead to a triplet state with a higher critical temperature than the leading singlet state. The Coulomb pseudopotential, which is the repulsive part of the electron-electron interaction and is typically small in weakly correlated systems, is therefore critical to stabilizing the triplet state. We introduce a chirality quantum number, which identifies the electron-phonon vertex interactions that are most favorable to the triplet channel as those that conserve chirality. Applying these results to CuxBi2Se3, we find that a phonon-mediated odd-parity state may be realized in the presence of weak electronic correlations if the chirality-preserving electron-phonon vertices are much stronger than the chirality-flipping vertices.

研究の動機と目的

• 時間反転および空間反転対称性を有するスピン軌道結合系におけるフォノン媒介奇数パリティ超伝導の可能性を調査すること。
• 特にクーロン擬似ポテンシャルの役割が、三重項超伝導状態の安定化に果たす影響を特定すること。
• 新たに導入されたヘリシティ量子数に基づき、奇数パリティ対称性を促進する特定の電子-フォノン頂点相互作用を同定すること。
• 弱い電子相関下における候補材料CuxBi2Se3におけるこのような状態の実現可能性を評価すること。

提案手法

• 時間反転および空間反転対称性を有するスピン軌道結合系における電子-フォノン結合の理論的分析。
• ヘリシティ保存性の性質に基づき、電子-フォノン頂点を分類するためのヘリシティ量子数の導入。
• エリアシブ形式を用いて超伝導対称性チャンネルを評価し、単重項と三重項状態を区別する。
• 三重項チャンネルの安定化における役割を評価するため、クーロン擬似ポテンシャルを主要パラメータとして組み込む。
• CuxBi2Se3の具体的なケースに形式を適用し、ヘリシティ保存型とヘリシティ反転型の頂点の相対的強度に注目する。
• 相互作用強度を変化させた場合の単重項および三重項対称性チャンネルの臨界温度を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間反転および空間反転対称性を有するスピン軌道結合系において、純粋な電子-フォノン結合が奇数パリティ三重項超伝導状態を安定化できるか？
• RQ2 電子-フォノン結合だけでは不十分な場合、クーロン擬似ポテンシャルが三重項対称性を可能にする役割は何か？
• RQ3 どの電子-フォノン頂点相互作用が奇数パリティ対称性を最も促進するか、そしてそれらはどのように分類できるか？
• RQ4 弱い電子相関下において、CuxBi2Se3でフォノン媒介奇数パリティ超伝導状態が実現可能か？
• RQ5 ヘリシティ保存型とヘリシティ反転型の電子-フォノン頂点は、三重項チャンネルの安定性にどのように影響するか？

主な発見

• 研究対象の系において、純粋な電子-フォノン結合だけでは、基底状態の単重項状態よりも臨界温度が高い三重項状態を安定化させることはできない。
• クーロン擬似ポテンシャルは、弱い電子相関系であっても三重項状態の安定化に不可欠である。
• ヘリシティを保存する電子-フォノン頂点が、奇数パリティ超伝導を促進する上で最も好ましいと特定された。
• CuxBi2Se3においては、ヘリシティ保存型頂点がヘリシティ反転型頂点よりも顕著に強い場合、フォノン媒介奇数パリティ超伝導状態が出現する可能性がある。
• 弱い電子相関が存在しても、特定の電子-フォノン相互作用構造が好ましければ、奇数パリティ超伝導は成立し得る。
• ヘリシティ量子数は、スピン軌道結合超伝導体における主要な対称性チャンネルを特定する有効な分類スキームを提供する。