[論文レビュー] Room Temperature Superconductivity, Spin Liquid and Mott Insulator: Silicene and Germanene as prospective playgrounds

G. Baskaran|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2013

Advanced Physical and Chemical Molecular Interactions被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、60%の結合伸長がモット局在性を強化することで、強い電子相関が働くことにより、ケイゲンとゲルマネンが狭帯ギャップモット絶縁体であり、量子スピン液体および非局所的超伝導を示す可能性があると提唱している。tおよびJパラメータが約1 eVと推定されており、最適ドーピングによって室温超伝導が実現可能である可能性がある。この主張は、ARPES、ギャップ測定、および実験で観察されたラウールレベル分裂の不在によって裏付けられている。

ABSTRACT

Combining theoretical considerations and certain striking phenomenology we hypothesise silicene and germanene to be extit{narrow gap Mott insulators} and abode of quantum spin liquids and unconventional superconductivity. A weaker $\pi$-bond, because of a 60% bond stretching, from $\sim$ 1.4 $\AA$ in graphene to $\sim$ 2.3 $\AA$ in silicene renders Mott localization. A supporting theoretical analysis is presented. Recent experimental results are invoked to provide additional support for our Mott insulator modelling: i) a narrow band of width $\sim$ 1 eV lying below K points in recent ARPES of silicene on ZrB$_2$, ii) a superconducting gap seen below 35 K with a large $\frac{2\Delta}{k_BTc}\sim$ 20 in silicene on Ag, ii) emergence of electron like pockets at M points on electron doping by Na adsorbants and iii) absence of Landau level splitting upto 7 Tesla and v) superstructures, not common in graphene but ubiquitous in silicene. A synthesis of the above results using theory of Mott insulator, without and with doping, is attempted. We surmise that if competing orders are taken care of and optimal doping achieved, superconductivity in silicene and germanene could reach room temperature scales, as our estimates of tJ model parameters, t and J $\sim$ 1 eV, are encouragingly high.

研究の動機と目的

• ケイゲンとゲルマネンが強い電子相関の結果として、非局所的超伝導および量子スピン液体をどのように担えるかを調査すること。
• 狭帯域、超伝導ギャップ、電子パケットといった実験的観察を、モット絶縁体物理学の観点から説明すること。
• 最適ドーピングによって室温超伝導を達成する可能性を評価すること。
• ラウールレベル分裂の不在や超構造といった実験的不審点を、モット絶縁体フレームワークと整合させること。

提案手法

• ケイゲンとゲルマネンにおける電子相関を記述するためのtJモデルに基づく理論的分析。
• ZrB2上に成長したケイゲンにおけるK点の下に位置する狭帯域（約1 eV）を特定するための角度分解光電子分光法（ARPES）データの使用。
• Ag上に成長したケイゲンからの超伝導ギャップデータの分析により、35 K未満で2Δ/kBTc ~ 20の値が得られた。
• ナトリウム吸着による電子ドーピングのモデル化により、M点に電子的パケットの出現を説明した。
• 7 Tまでラウールレベル分裂が観察されないことは、スピン液体様の振る舞いを示す証拠であると解釈した。
• ケイゲンに観察された超構造を、モット絶縁体的および相関電子相の証拠として使用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 結合伸長による電子相関の増強により、ケイゲンとゲルマネンは狭帯ギャップモット絶縁体として記述可能か？
• RQ2 ケイゲンにおける狭帯域および超伝導ギャップといった実験的観察は、どのようにモット絶縁体理論と整合するか？
• RQ3 電子ドーピングは、ケイゲンとゲルマネンにおける超伝導状態の安定化にどのような役割を果たすか？
• RQ4 ケイゲンでは7 Tまでラウールレベル分裂が観察されないが、これはその電子状態にどのような含意を持つのか？
• RQ5 ケイゲンとゲルマネンにおけるtJモデルのパラメータtおよびJは、最適ドーピング下で室温超伝導を支持するか？

主な発見

• ZrB2上に成長したケイゲンにおいて、K点の下に幅約1 eVの狭帯域が観察され、モット絶縁体の振る舞いと整合的である。
• 35 K未満で超伝導ギャップが観察され、2Δ/kBTc ~ 20の値が得られたことから、強い対称性相関が示唆される。
• ナトリウム吸着による電子ドーピングにより、M点に電子的パケットが出現し、ドーピングされたモット絶縁体の状況を支持する。
• 7 Tまでラウールレベル分裂が観察されないことは、ギャップなしスピン液体または非局所的金属状態の存在を示唆する。
• グラファイトに見られないケイゲンの超構造は、強い電子相関およびモット物理学の兆候であると解釈される。
• tおよびJパラメータが約1 eVと推定されたことから、最適ドーピングおよび競合秩序の抑制により、室温超伝導が理論的に可能であると示唆される。