[論文レビュー] Stabilizing fluctuating spin-triplet superconductivity in graphene via induced spin-orbit coupling

Jonathan B. Curtis, Nicholas R. Poniatowski+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2022

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、誘導されたイジングスピンオービット結合がスピン三重項超伝導秩序パラメータの低エネルギーフラクチュエーションをスピン回転対称性の破れによって抑制することで、顕著に高い臨界温度で超伝導性が安定化することを提案している。このメカニズムは、最近の実験で観察されたWSe2をスパッタリングしたバイレイヤー状グラフェンにおけるゼロ場下での強化されたスピン三重項超伝導を説明しており、理論的予測が観測されたTcの増大と一致し、4e電荷超伝導相の準長距離秩序が共存する可能性を示唆している。

ABSTRACT

A recent experiment showed that proximity induced Ising spin-orbit coupling enhances the spin-triplet superconductivity in Bernal bilayer graphene. Here, we show that, due to the nearly perfect spin rotation symmetry of graphene, the fluctuations of the spin orientation of the triplet order parameter suppress the superconducting transition to nearly zero temperature. Our analysis shows that both Ising spin-orbit coupling and in-plane magnetic field can eliminate these low-lying fluctuations and can greatly enhance the transition temperature, consistent with the recent experiment. Our model also suggests the possible existence of a phase at small anisotropy and magnetic field which exhibits quasi-long-range ordered spin-singlet charge 4e superconductivity, even while the triplet 2e superconducting order only exhibits short-ranged correlations. Finally, we discuss relevant experimental signatures.

研究の動機と目的

• WSe2プロキシミティ層によって誘導されるイジングスピンオービット結合を有するバイレイヤー状グラフェンにおけるスピン三重項超伝導性の実験的安定化を説明すること。
• グラフェンにおけるスピン三重項秩序パラメータのフラクチュエーションが、ほぼ完全なスピン回転対称性に起因するゴールドストーンモードによって抑制されるという理論的課題を扱うこと。
• イジングスピンオービット結合および面内磁場がこれらのフラクチュエーションを抑制し、超伝導転移温度を向上させることを示すこと。
• 弱い異方性および磁場の存在下で、スピン singlet 4e 超伝導相の準長距離秩序が短距離 2e 三重項相と共存しうる可能性を検討すること。
• 提案されたメカニズムの実験的検証が可能なシグナチャーを提供すること、例えばスピン感受率の異常および臨界行動。

提案手法

• スピン回転対称性の破れを考慮した、Ginzburg-Landau形式を用いた対称性に基づく有効場理論を構築し、スピン三重項超伝導性を記述する。
• 誘導されたイジングスピンオービット結合をスピン・バルク空間におけるゼーマン型場としてモデル化し、三重項秩序パラメータのdベクトルがz軸に固定されることを示す。
• BCS理論を用いて次元なしのピン留めエネルギーΓ⊥を計算し、λの増加に伴い2桁以上増加することを示す。
• スピン感受率χ∥の解析を行い、スピンオービット結合がゼロの場合はソフトフラクチュエーションにより発散するが、有限のΓ⊥によって抑制されることを示す。
• 逆圧縮率測定からの実験データを用い、状態密度（約7 meV⁻¹Å⁻²）およびフェルミエネルギー（約0.6 meV）を定量的パラメータ化に用いる。
• 2e 三重項および4e スピン singlet pairing チャネルの競合を検討し、弱い異方性および磁場下で、短距離 2e 相関にもかかわらず 4e チャネルにおける準長距離秩序が可能である可能性を示唆する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 誘導されたイジングスピンオービット結合は、バイレイヤー状グラフェンにおけるフラクチュエーティングスピン三重項超伝導性をどのように安定化するか？
• RQ2 WSe2を添加すると、ゼロ磁場下でも超伝導転移温度が顕著に上昇するのはなぜか？
• RQ3 スピン回転対称性の破れは、三重項秩序パラメータのゴールドストーンモードフラクチュエーションをどのように抑制するか？
• RQ4 弱い異方性および磁場の下で、短距離 2e 三重項ペアリングと共存しうる 4e 電荷超伝導相の準長距離秩序が実現可能か？
• RQ5 スピン感受率の異常や臨界行動といった、実験的に観測可能なシグナチャーは何か？

主な発見

• 誘導されたイジングスピンオービット結合がdベクトルをz軸にピン留めすることで、スピン三重項秩序パラメータの低エネルギーフラクチュエーションが抑制され、超伝導性が安定化する。
• BCS計算により、誘導されたスピンオービット結合強度λの増加に伴い、次元なしのピン留めエネルギーΓ⊥が2桁以上増加することが確認された。
• スピンオービット結合がゼロの場合は、ソフトフラクチュエーションによりスピン感受率χ∥が発散するが、有限のΓ⊥によって抑制され、平均場的挙動が回復する。
• イジングスピンオービット結合および面内磁場の両方が、実験的観測と一致する超伝導転移温度の顕著な向上をもたらす。
• 弱い異方性および磁場下では、短距離 2e 三重項ペアリングと、4e 電荷超伝導における準長距離秩序を示す相が共存しうる可能性があり、これは新しい競合チャネルを示唆する。
• モデルは、T*でスピン感受率に見かけ上の上昇が観測される異常を予測しており、これはフラクチュエーティング三重項秩序の実験的シグナチャーとして役立つ可能性がある。