[論文レビュー] Spin and Charge Fluctuation Induced Pairing in ABCB Tetralayer Graphene

Ammon Fischer, Lennart Klebl+6 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2023

Graphene research and applicationsMaterials Science参考文献 51被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、実際の短距離および長距離 Coulomb 相互作用を考慮した軌道分解 RPA を用いて、ABC B積層テトラレイヤーグラフェンにおけるスピンおよび電荷揺らぎを分析することで、超伝導性を調査した。van Hove特異性付近でスピン揺らぎによって駆動される f 波スピン三重項、バルク状態単一の超伝導性と、電荷揺らぎによって駆動される p 波超伝導性が特定され、両メカニズムが伝導帯端で共存しており、相互作用の種別が超伝導ペアリング対称性を決定する上で競合していることが強調された。

ABSTRACT

Motivated by the recent experimental realization of ABCB stacked tetralayer graphene [Wirth et al., ACS Nano 16, 16617 (2022)], we study correlated phenomena in moiré-less graphene tetralayers for realistic interaction profiles using an orbital resolved random phase approximation approach. We demonstrate that magnetic fluctuations originating from local interactions are crucial close to the van Hove singularities on the electron- and hole-doped side promoting layer selective ferrimagnetic states. Spin fluctuations around these magnetic states enhance unconventional spin-triplet, valley-singlet superconductivity with $f$-wave symmetry due to intervalley scattering. Charge fluctuations arising from long range Coulomb interactions promote doubly degenerate p-wave superconductivity close to the van Hove singularities. At the conduction band edge of ABCB graphene, we find that both spin and charge fluctuations drive $f$-wave superconductivity. Our analysis suggests a strong competition between superconducting states emerging from long- and short-ranged Coulomb interactions and thus stresses the importance of microscopically derived interaction profiles to make reliable predictions for the origin of superconductivity in graphene based heterostructures.

研究の動機と目的

• モーリー効果が存在せず、相関効果が内在的電子構造によって支配される untwisted ABCB テトラレイヤーグラフェンにおける超伝導性の起源を理解すること。
• 有効モデルの限界を克服するため、短距離および長距離 Coulomb 相互作用を一貫して含む ab initio を出発とする軌道分解 RPA 手法を採用すること。
• 局所的相互作用からのスピン揺らぎ（局所的）と長距離 Coulomb 相互作用からの電荷揺らぎ（長距離）が、非単純超伝導性を駆動する役割を解き明かすこと。
• スピン揺らぎによって好まれる f 波と、電荷揺らぎによって好まれる p 波という、競合するペアリングメカニズムが、van Hove 特異性付近の主要な超伝導秩序パラメータに与える影響を特定すること。
• 特に伝導帯端および van Hove 特異性付近において、温度およびスクリーニングの変化に対する超伝導不安定性の頑健性を評価すること。

提案手法

• 第一原理計算と整合するように、ABC B積層テトラレイヤーグラフェンの原子的電子バンド構造を記述する修正された Slonzevecki-Weiss-McClure 結晶場モデルを採用した。
• 粒子-hole および粒子-particle の感受率を計算するため、軌道分解 RPA を適用し、スピンおよび電荷揺らぎの体系的分析を可能にした。
• 3 種類の異なる RPA 変種（x-RPA：局所 Hubbard U のみ、d-RPA：スクリーニングされた長距離 Coulomb 相互作用、xd-RPA：短距離および長距離相互作用の併用）を用いて、各寄与を分離した。
• 有効ペアリング頂点を軌道空間からバンド空間に射影し、異なるフェルミ面パッチ間のクーパー対散乱に注目することで、支配的ペアリング対称性を同定した。
• van Hove 特異性付近の穴ドーピング領域を特定するため、フェルミ面カットオフを μ_min = -5 meV および μ_max = -2 meV に設定し、熱的幅（η_FS > T）と整合性を保った。
• 化学ポテンシャル、Hubbard U、スクリーニング長 d、温度 T の関数として超伝導結合定数 λ_SC を分析し、超伝導状態の安定性および対称性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所的相互作用からのスピン揺らぎは、van Hove 特異性付近の ABCB テトラレイヤーグラフェンにおける超伝導性をどのように駆動するか？
• RQ2 長距離 Coulomb 相互作用による電荷揺らぎは、どのようにペアリングに寄与し、どのような対称性を好むか？
• RQ3 スピン揺らぎおよび電荷揺らぎによって駆動されるペアリングメカニズムの相乗的相互作用が、主要な超伝導秩序パラメータに与える影響は何か？
• RQ4 スクリーニング長および温度の変化に対して予測された超伝導不安定性は、どの程度頑健か？
• RQ5 伝導帯端において、f 波と p 波のどちらのペアリング対称性が支配的であり、それらの間の競合を決定づける要因は何か？

主な発見

• 穴ドーピング領域における van Hove 特異性付近では、局所的相互作用からのスピン揺らぎが層選択的フェリマグネティック秩序を促進し、間接的スピン揺らぎによる f 波スピン三重項、バルク状態単一の超伝導性が、バルク間散乱によって強化された。
• 長距離 Coulomb 相互作用に起因する電荷揺らぎは、同じ van Hove 特異性付近で二重に degenerate な p 波超伝導性を駆動した。
• 伝導帯端では、スピン揺らぎおよび電荷揺らぎが共に f 波超伝導性を駆動しており、ペアリングメカニズム間の強い競合が示された。
• スクリーニング長 d を 200a₀ から 50a₀ に変化させても、超伝導結合定数 λ_SC は頑健に保たれ、長距離尾スクリーニングが不安定性を抑制しないことが示された。
• 温度依存性の分析から、λ_SC は低温で増加し、特に d-RPA チャネルで顕著であった。また、ストナーパラメータに近づくと（例：U = 4.5 eV）、f 波チャネルは抑制された。
• xd-RPA 手法により、スピン揺らぎおよび電荷揺らぎ両方の寄与が完全な記述に不可欠であることが確認され、併用メカニズムは伝導帯端における主要な f 波対称性を維持した。