[論文レビュー] Superconductivity Emerging from Excitonic Mott insulator - Theory of Alkaline Doped Fullerene

Takahiro Misawa, Masatoshi Imada|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2017

Fullerene Chemistry and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、変分モンテカルロ法を用いて、アルカリドーピングフルーライト A3C60 における等方的 s 波超伝導状態が、励起子的モット絶縁体からキャリアドーピングによって生じることを示した。三軌道構造が電荷揺らぎを可能にし、絶縁状態を解体する。主な結果は、超伝導相が励起子的絶縁体の解体によって安定化されることであり、反軌道スピン結合を有する多軌道系における高臨界温度超伝導の新たな道筋を示している。

ABSTRACT

A three-orbital model derived from the two-dimensional projection of the $ab$ $initio$ Hamiltonian for alkaline doped fullerene A$_3$C$_{60}$ with A=Cs,Rb,K is studied by a variational Monte Carlo method. We correctly reproduce the experimental isotropic s-wave superconductivity around the $ab$ $initio$ parameters. With narrowing the bandwidth, the transition to an insulator is also reproduced, where orbital symmetry is found to be spontaneously broken with emergence of an excitonic Mott insulator for two orbitals and an antiferromagnetic insulator nearly degenerate with a spin liquid for the third orbital. The superconductivity is a consequence of exciton melting.

研究の動機と目的

• アルカリドーピングフルーライト A3C60 における等方的 s 波超伝導の起源を理解すること。これは、通常のドーピングなしで半フィルイン状態で発現する。
• 多軌道系の物理的性質と電子相関が、モット絶縁相付近での超伝導の安定化に果たす役割を調査すること。
• 励起子的モット絶縁体が、これらの系における超伝導の母相であるかどうかを特定すること。
• 軌道簡併性と非等方的 hopping が超伝導の出現に与える影響を明らかにすること。
• キャリアドーピングによる励起子的絶縁体の解体から超伝導がどのように生じるかの条件を明確にすること。

提案手法

• 体心立方 A3C60 のab initioハミルトニアンから導かれた三軌道モデルを、数値的取り扱いを簡略化するため二次元格子に投影する。
• 空間的および量子揺らぎを平均場近似を超えて取り入れるため、変分モンテカルロ法（mVMC）を用いる。
• 軌道依存の hopping 积分と強い局所クーロン反発（U, U'）を含み、負のフンズ結合（J = -0.5）を設定することで、反軌道スピン結合（IHRC）を模擬する。
• 超伝導の安定化に本質的な物理を分離するために、簡略化された二軌道および三軌道鎖モデルを分析する。
• s 波対称性のペアリング演算子 P1s,ν(r) を用いてペアリング相関を評価し、ドーピングおよび相互作用パラメータに応じた電荷ギャップ振幅をモニタリングする。
• U', J, 化学ポテンシャル μ を変化させることで位相図をマッピングし、超伝導相、絶縁相、モット相の間の転移を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 A3C60 における等方的 s 波超伝導は、キャリアドーピングによって励起子的モット絶縁体が解体されることに起因するか？
• RQ2 三軌道系で一つの軌道が非ペアリングのままである場合、二軌道モデルと比較して超伝導の安定性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 反軌道スピン結合（IHRC）は、通常の電子ドーピングなしに超伝導を安定化させる役割を果たすか？
• RQ4 なぜ A3C60 では、銅酸化物や鉄系超伝導体とは異なり、半フィルイン状態で超伝導が安定化するのか？
• RQ5 三軌道構造は、強い結合領域において磁気秩序を抑制し、スピン液体に類似した状態を促進するか？

主な発見

• 変分モンテカルロ法は、ab initio パラメータを用いて、A3C60 における実験的等方的 s 波超伝導をうまく再現した。
• 強い結合領域では、系は自発的軌道対称性破れを示す励起子的モット絶縁体に遷移するが、第三の軌道はほぼ簡併な反強磁性モット絶縁体またはスピン液体に近い状態を形成する。
• 励起子的モット絶縁体にキャリアドーピングを施すと、絶縁秩序が即座に解体され、超伝導が誘発される。この状態でクーペル対が凝縮する。
• 三軌道構造が電荷揺らぎを強化し、励起子的絶縁体を不安定化させ、二軌道モデルとは異なり、半フィルイン状態でも超伝導を有利にする。
• 超伝導相は、励起子的絶縁体の解体によって安定化され、三軌道系が電荷揺らぎ駆動の絶縁体〜超伝導体転移による高臨界温度超伝導への道筋を可能にする。
• 強い結合領域において、スピン秩序を示さない真のモット絶縁体が低エネルギー励起状態として同定され、三軌道系に量子スピン液体相の可能性が示唆された。