[論文レビュー] Spin-singlet and spin-triplet pairing correlations in antiferromagnetically coupled Kondo systems

Haoyu Hu, Ang Cai+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2021

Rare-earth and actinide compounds参考文献 40被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、クラスターボーズ＝フェルミ Andersonモデル（BFAM）における非摂動的連続時間量子モンテカルロ（CT-QMC）シミュレーションを用いて、反強磁性的結合したKondo系におけるスピン・シングレットおよびスピン・トリプレット対応相関を調査した。SU(2)対称系ではスピン・シングレット対応が強く強化されるKondo破壊量子臨界点を特定したが、現実的なイジング異方性があるとスピン・トリプレット（S^z=0）対応が競合的となり、YbRh2Si2における磁場誘起スピン・トリプレット超伝導の微視的解釈を提供した。

ABSTRACT

Recent experiments in quantum critical heavy fermion metals have pushed to the fore the question about whether antiferromagnetic fluctuations can promote both spin-singlet and spin-triplet superconductivity. Here we address the issue through non-perturbative calculations in antiferromagnetically correlated Kondo systems. We identify Kondo-destruction quantum critical points in both the SU(2) symmetric and Ising-anisotropic cluster Bose-Fermi Anderson models. The spin-singlet pairing correlations are significantly enhanced near the quantum critical point in the SU(2) case; however, with adequate but still realistic degree of Ising anisotropy, the spin-triplet pairing correlations are competitive. Our results demonstrate that spin-flip processes strengthen the spin-singlet pairing at the Kondo-destruction quantum critical points, and point towards a way for antiferromagnetic correlations to drive spin-triplet pairing. Further implications of our findings in the broader context of strongly correlated superconductivity are discussed.

研究の動機と目的

• 反強磁性揺らぎが、量子臨界的Kondo系においてスピン・シングレットおよびスピン・トリプレット超伝導を同時に促進できるかどうかを理解すること。
• Kondo破壊量子臨界点近くにおけるスピン非対称性の役割が、シングレット対比とトリプレット対比の優位性をどのように決定するかを調査すること。
• YbRh2Si2の量子臨界点近くで最近観測された磁場誘起スピン・トリプレット超伝導相に対する微視的解釈を提供すること。
• スピン反転過程と有限なイジング異方性をクラスターベースBFAMに組み込むことで、それまでのランドー理論を超えた量子臨界性モデルを拡張すること。
• 強い電子相関を示すKondo系において、スピン・トリプレット対応がいつ競合的または優位的になるかの条件を特定すること。

提案手法

• 混合、横方向交換、ボソン的結合に関する三重展開を用いた非摂動的連続時間量子モンテカルロ（CT-QMC）シミュレーション。
• RKKY相互作用と動的磁気揺らぎを有する反強磁性的Kondo系をモデル化するためのクラスターボーズ＝フェルミ Andersonモデル（BFAM）の使用。
• 多イオン系におけるSU(2)対称CT-QMC手法の実装により、拡張された量子臨界領域へのアクセスを実現。
• スピン・シングレットおよびスピン・トリプレットチャネル（S^z = 0, ±1）における対応感受率の分析により、支配的対応チャネルの特定。
• イジング異方性（Jp/Jz）および結合強度（λ）を体系的に変化させ、SU(2)とイジング極限の間の遷移を調査。
• クラスターベースBFAMフレームワークにおいて、スピンおよび対応感受率の発散を観察することで、Kondo破壊量子臨界点の同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Kondo系における反強磁性揺らぎは、スピン・シングレットおよびスピン・トリプレット超伝導を同時に促進できるか？
• RQ2 Kondo破壊量子臨界点近くにおけるスピン非対称性が、スピン・シングレット対比とスピン・トリプレット対比の相対的強度にどのように影響するか？
• RQ3 スピン反転過程は、量子臨界的Kondo系におけるスピン・シングレット対応相関を強化する役割を果たすか？
• RQ4 YbRh2Si2で観測された磁場誘起スピン・トリプレット超伝導は、Kondo破壊フレームワークにおける反強磁性量子臨界性によって説明可能か？
• RQ5 異方性のあるKondo系において、S^z=0スピン・トリプレットチャネルがスピン・シングレットチャネルと競合的になる条件は何か？

主な発見

• SU(2)対称クラスターベースBFAMでは、Kondo破壊量子臨界点（QCP）近くでスピン・シングレット対応相関が顕著に強化され、λc ≈ 0.2 で対応感受率 χ^(s,0) のピークが観測された。
• Jp/Jz = 0.2 のイジング異方性モデルでは、S^z=0 チャネルにおけるスピン・トリプレット対応感受率 χ^(t,0) も同様にQCP近くで強化され、λc ≈ 0.45 となり、対応が競合的であることが示された。
• 横方向RKKY相互作用によって媒介されるスピン反転過程が、スピン・シングレット対応を強化し、SU(2)対称極限でシングレット対応が優位になる理由を説明した。
• 現実的なイジング異方性下では、S^z=0 スピン・トリプレットチャネルがスピン・シングレット対応と競合的となり、量子臨界的Kondo系におけるトリプレット対応のメカニズムを示唆した。
• 結果は、YbRh2Si2における磁場誘起スピン・トリプレット超伝導相を自然に説明するものであり、外部磁場がイジング異方性を強化し、S^z=0 トリプレットチャネルを安定化させることを示している。
• これらの発見は、反強磁性揺らぎがKondo破壊量子臨界性を介してスピン・トリプレット対応を駆動できることを示し、強い電子相関金属における非対称超伝導の量子臨界性の範囲を拡張した。