[論文レビュー] Spectral properties of a mixed singlet-triplet Ising superconductor

Sourabh Patil, Gaomin Tang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2023

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ひとこと要約

本研究は、面内磁場下における混合スイングレット＝トライプレットイジング超伝導体のスペクトル的性質を調査し、有限エネルギーペアリング相関に起因するミラージュギャップに注目する。トリプレットペアリングが最大ミラージュギャップ幅を減少させるとともに、三重項臨界温度未満の温度では高磁場下でも有限のミラージュギャップを維持できることを示しており、これはスイングレットのみの状況では臨界磁場でミラージュギャップが消滅するのとは対照的である。

ABSTRACT

Conventional two-dimensional superconductivity is destroyed when the critical in-plane magnetic field exceeds the so-called Pauli limit. Some monolayer transition-metal dichalcogenides lack inversion symmetry and the strong spin-orbit coupling leads to a valley-dependent Zeeman-like spin splitting. The resulting spin-valley locking lifts the valley degeneracy and results in a strong enhancement of the in-plane critical magnetic field. In these systems, it was predicted that the density of states in an in-plane field exhibits distinct mirage gaps at finite energies of about the spin-orbit coupling strength, which arise from a coupling of the electron and hole bands at energy larger than the superconducting gap. In this study, we investigate the impact of a triplet pairing channel on the spectral properties, primarily the mirage gap and the superconducting gap, in the clean limit. Notably, in the presence of the triplet pairing channel, the mirage-gap width is reduced for the low magnetic fields. Furthermore, when the temperature is lower than the triplet critical temperature, the mirage gaps survive even in the strong-field limit due to the finite singlet and triplet order parameters. Our work provides insights into controlling and understanding the properties of spin-triplet Cooper pairs.

研究の動機と目的

• 面内磁場下におけるイジング超伝導体におけるスイングレットおよびトリプレットペアリングチャンネルの相乗的相互作用を理解すること。
• トリプレットペアリングがスペクトル的性質、特に有限エネルギーペアリング相関の特徴であるミラージュギャップに与える影響を調査すること。
• 温度が三重項臨界温度未満である場合に、強磁場領域でもミラージュギャップが存続する条件を特定すること。
• 少数層NbSe2における超伝導ギャップの増幅観測と、スイングレットペアリングのみを考慮した予測との乖離を、三重項ペアリング効果を組み込むことで解明すること。

提案手法

• 本研究では、KおよびK′谷に近い系を記述するため、Nambu基底におけるBogoliubov–de Gennesハミルトニアンを用い、スイングレットおよびトリプレットの秩序パラメータを併用する。
• モデルにはスピン軌道相互作用（イジング型）と面内磁場を含み、磁場およびスピン軌道相互作用に起因する有効ゼーマン項が導入される。
• 自己無撞着ギャップ方程式を数値的に解き、スイングレット（Δs）およびトリプレット（Δt）秩序パラメータの温度および磁場依存性を決定する。
• ミラージュギャップ幅δは状態密度から抽出され、高磁場極限における漸近的挙動を導出するために解析的近似が用いられる。
• 解析は、散乱のないクリーン極限を仮定し、スイングレット臨界温度Tcsに相対的な次元なし単位を用いる。
• 2つの状態に分けて解析を行う：T > Tct（両秩序パラメータが臨界磁場で消える）およびT < Tct（両者が高磁場でも有限に保たれる）、特にそのスペクトル的差異に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 面内磁場下におけるイジング超伝導体において、三重項ペアリングチャンネルの導入がミラージュギャップの最大幅にどのように影響するか？
• RQ2 温度が三重項臨界温度Tct未満である場合、高面内磁場下でのミラージュギャップはどのように変化するか？
• RQ3 なぜ少数層NbSe2における実験的観測では、スイングレットペアリングのみを考慮した予測を上回る超伝導ギャップが観測されるのか？
• RQ4 どのような条件下でミラージュギャップが強磁場領域でも存続するのか？また、これはスイングレットのみの状況とはどのように異なるか？
• RQ5 面内磁場下において、自己無撞着ギャップ方程式を通じて、スイングレットおよびトリプレット秩序パラメータの相乗的相互作用はどのように支配されるのか？

主な発見

• 臨界温度Tctが高くなるほど、面内磁場を調整することで達成可能なミラージュギャップ最大幅は減少する。
• 温度がTctより高い場合、ミラージュギャップは臨界磁場で消滅する。これはスイングレットのみの状況と一致し、両方の秩序パラメータΔsおよびΔtが同じ磁場で消えることに対応する。
• 温度がTct未満の場合、スイングレットおよびトリプレット秩序パラメータは非常に高い面内磁場下でも有限に保たれ、結果として有限のミラージュギャップが形成される。
• 高磁場極限において、スイングレット秩序パラメータはΔs ∝ βsoΔt / Bxとスケーリングする。これは、Δtが非ゼロであればΔsが有限に保たれることを示している。
• ミラージュギャップ幅δは、特にT < Tctの場合、非ゼロの秩序パラメータに起因して高磁場下でも有限に保たれ、有限エネルギーペアリング相関が頑健であることを示している。
• 解析的導出により、スイングレットおよびトリプレットチャンネルの結合が強磁場領域でもギャップ構造を安定化させることを確認しており、ミラージュギャップが存続することを裏付けている。