[論文レビュー] Superconductivity from repulsive interactions in Bernal-stacked bilayer graphene

Glenn Wagner, Yves H. Kwan+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2023

Graphene research and applications被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、反発相互作用から生じる Bernal-stacked bilayer graphene における Kohn-Luttinger-type の p-wave 超伝導不安定性を示し、RPAとFRGで解析し、3-pocket の Fermi-surface model によって統一されている。

ABSTRACT

A striking series of experiments have observed superconductivity in Bernal-stacked bilayer graphene (BBG) when the energy bands are flattened by applying an electrical displacement field. Intriguingly, superconductivity manifests only at non-zero magnetic fields, or when spin-orbit coupling is induced in BBG by coupling to a substrate. We present detailed functional renormalization group and random-phase approximation calculations that provide a unified explanation for the superconducting mechanism in both cases. Both calculations yield a purely electronic $p$-wave instability of the Kohn-Luttinger (KL) type. The latter can be enhanced either by magnetic fields or Ising spin-orbit coupling, naturally explaining the behaviour seen in experiments.

研究の動機と目的

• 変位場による帯の平坦化の下で、純粋に電子的な斥力がBBGに超伝導を誘発し得るメカニズムを説明する。
• 磁場やスピン軌道結合（SOC）によってスクリーンングの変化を介して超伝導がどのように強化されるかを示す。
• RPAと機能的再正規化群解析（FRG）を用いてこの機構の頑健性を示す。
• BBGのフェルミ面を写す簡略化された3ポケットモデルで本質的な物理を捉える。

提案手法

• 低エネルギーの4バンドBBGモデルを定式化し、変位場、ゼーマン項、およびIsing SOC項を含める。
• ゲート屏蔽形を用いたスクリーンカーボイロニック相互作用をモデル化し、扱いやすさのためBloch形因子を無視する。
• UI intra-pocket および inter-pocket 相互作用 U および V を用いた3-pocket削減を導出し、3x3 ギャップ行列を解く。
• Cooperチャネルの固有値を得て超伝導不安定性を示すRPAを実施し、p-wave 対称性を確認する。
• 4点頂点の流れを追跡する温度フローFRGを実施し、T_cを特定する。
• 異なる条件下でRPAとFRGの結果を比較し、p-wave KL型超伝導を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BBGで帯の平坦化が起きた場合、斥力性電子相互作用は超伝導を引き起こし得るのか。
• RQ2 磁場やスピン軌道結合はBBGにおけるKL型対称性ペアリング機構にどのような影響を与えるのか。
• RQ3 簡略化された3ポケットフェルミ面モデルはBBGの超伝導物理の本質を捉えているのか。
• RQ4 支配的なペアリング対称性は何で、スクリーンング効果はポケット内・ポケット間の結合をどう差別化するのか。
• RQ5 予測される超伝導温度 Tc と化学ポテンシャルおよび場の依存性はどうなるのか。

主な発見

• BBGにおいてKohn-Luttinger型の純粋に電子的な p-wave 超伝導不安定性が出現する。
• スクリーンニングにより V>U の関係が反転し、p-wave チャンネルで引力を生み出すことが可能になる。
• RPAはバニガ・ホフ特異点付近および有限場・Ising SOC で Tc の増加を示す。
• FRGはp-wave不安定性を確認し、U が負になることでペアリングをさらに強化できる可能性を示唆する。
• 3ポケットモデルは本質的な超伝導物理を捉え、与えられたパラメータの範囲で現実的な Tc を与える。
• RPAとFRGの双方が、p-wave ギャップが二重縮退（p_x および p_y に類似）し、ポケット内対称性とポケット間スクリーンニングの非対称性により有利になることを示す。