[論文レビュー] Superfluid-insulator transition and the BEC-BCS crossover in the Rashba moat band

Hassan Allami, Oleg A. Starykh+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 31被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、ラシバスピン軌道結合を有する二次元電子系におけるBEC-BCS遷移のクロスオーバーを調査し、化学ポテンシャルまたはゲート電圧を用いることで、ボーズ＝アインシュタイン凝縮とバリディン＝クーパー＝シュリフェール（BCS）領域の間で超伝導転移をチューニングできることを示している。吸引的対形成と長距離クーロン反発の相互作用——特に発散する1次元状態密度を示すモアトバンドにおいて——が、チューナブルなクロスオーバーを駆動し、強いスクリーニング効果が相図を変化させることになる。

ABSTRACT

We study the superconducting transition in a two-dimensional electron gas with strong Rashba spin-orbit coupling. We assume low electron density, such that only the majority spin band participates in the transition. We show that the superconducting transition follows either the Bose-Einstein condensation (BEC), or the Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) scenarios, depending on the position of the chemical potential with respect to the bottom of the majority band, and the strength of the Coulomb repulsion between electrons. Hence, the BEC-BCS crossover in this system can be driven either by the change in the chemical potential, or the distance to a gate.

研究の動機と目的

• 強いラシバスピン軌道結合と低キャリア密度を有する二次元電子系における超伝導転移の理解を図ること。
• モアトバンド構造内におけるクーロン反発のBEC-BCSクロスオーバーへの寄与を検討すること。
• 電気的相互作用、特にゲートによる部分的スクリーニングが超流動-絶縁体転移に与える影響を特定すること。
• クーロン反発の有無に応じた相図の構築。
• 1次元的状態密度領域における対形成吸引力と長距離クーロン相互作用の相乗的影響の分析。

提案手法

• ラシバスピン軌道結合を有する二次元電子系モデルを定式化し、運動量p₀における輪状の最小値を示すモアトバンド分散を導出する。
• 下位（多数スピン）バンドに相互作用ハミルトニアンを投影し、吸引的（クーパーチャンネル）および反発的（クーロン）項を両方保持する。
• 発散する状態密度に起因する有効1次元力学を組み込んだ、1対波動関数アプローチを用いて超流動-絶縁体転移を記述する。
• ゲートによるスクリーニングを反映する有効1次元クーロン核K(p)を導出し、弱スクリーニングおよび強スクリーニング極限における解析的近似を提供する。
• クーロン核のフーリエ変換から有効1次元ポテンシャルU(x)を構築し、指数関数的に減衰する相互作用を導出する。
• 自己無撞着な手法を用いて、吸引および反発の両方が存在する状況下でのBEC-BCSクロスオーバーの解析的および数値的分析を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強いクーロン反発を伴うラシバモアトバンドにおいて、BEC-BCSクロスオーバーはどのように現れるか？
• RQ2 化学ポテンシャルがモアトバンド最小値からの相対的位置がクロスオーバー領域に与える影響は何か？
• RQ3 ゲート誘起スクリーニングは、超伝導転移および相図にどのように影響を及けるか？
• RQ4 この系において、電気的手段による超流動-絶縁体転移のチューニングは可能か？
• RQ5 1次元的状態密度がコープアー対の安定性およびBEC形成に与える影響は何か？

主な発見

• 化学ポテンシャルをモアトバンド最小値に対してチューニングするか、ゲート距離を変更することで、BEC-BCSクロスオーバーを制御可能であり、実験的制御が可能である。
• 部分的スクリーニングでさえも、相図を定性的に変化させ、低密度領域でBCS領域を安定化させる。
• 有効1次元クーロン核K(p)は、小運動量領域で対数発散を示し、強化されたスクリーニング効果と整合的である。
• 有効ポテンシャルU(x)はexp(−2|x|/(βd))/|x|の形で減衰し、β ≈ 0.58であるため、長距離的だがスクリーニングされた相互作用であることが示唆される。
• 図5および図7の相図は、クーロン反発が増加するか化学ポテンシャルがシフトすることで、BEC領域からBCS領域への転移を示している。
• 1次元的状態密度領域における吸引および反発の相互作用の相乗的効果により、結合定数に対する臨界温度の非単調な依存関係が観測される。