[論文レビュー] Triplet pairing driven by Hund's coupling in doped monolayer MoS$_2$

Jie Yuan, Carsten Honerkamp|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、第一原理的相互作用パラメータを用いた温度-流れ関数的きずき縮約法（fRG）を用い、電子ドーピングされたモノレイヤーMoS₂における三重項f波超伝導が強磁性揺らぎによって駆動されることを示した。ハンズ結合がその鍵を握っており、臨界温度は最適ドーピング（x ≈ 0.1）でピークを示し、実験と良好に一致する。このメカニズムは、多軌道性と強いハンズ結合のおかげでグラフェンとは明確に異なる。

ABSTRACT

We investigate superconducting pairing driven by electron-electron interactions in a theoretical model for monolayer MoS$_2$ with the temperature-flow functional renormalization group(fRG). At low doping, the dominant instability is toward odd-parity pairing with $f$-wave Mo-nearest-neighbor structure. We compute the fRG phase diagram versus electron doping below the van Hove filling of the conduction band. In the superconducting regime, the critical temperature grows with doping, comparable to the experiments. Near van Hove filling the system favors a ferromagnetic state. We demonstrate that the triplet pairing is driven by ferromagnetic fluctuations and that the multiorbital nature of the conduction band as well as the Hund's coupling appear crucial in making the physics of MoS$_2$ different from e.g. doped graphene.

研究の動機と目的

• 電子-電子相互作用を含めた場合のドーピングされたモノレイヤーMoS₂における超伝導ペアリングの性質を、偏りのない多体アプローチを用いて特定すること。
• この系における超伝導を駆動するのは電子-電子相互作用かフォノンかを明確にすること。
• ハンズ結合と多軌道効果が三重項ペアリングを可能にする役割を調査すること。
• ドーピングされたグラフェンの超伝導位相図と比較し、主な相違点を強調すること。
• 第一原理に基づく臨界温度の推定値を提示し、ペアリングの「接着メカニズム」を同定すること。

提案手法

• モノレイヤーMoS₂の三軌道タイトバインディングモデルにおける全相互作用の流れを、温度-流れ関数的きずき縮約法（fRG）を用いて解析した。
• 第一原理的精度を確保するため、制約付きランダム位相近似（cRPA）により得られた有効相互作用パラメータ（U₀₀ = 2.61 eV, U₀₀′ = 2.09 eV, JH = 0.27 eV）を用いた。
• 電子ドーピングに応じた相互作用頂点の流れを追跡し、支配的ペアリング不安定性および競合する秩序（例：強磁性）を特定した。
• ハンズ結合の役割を明らかにするために、JHを変化させ、ペアリング対称性および臨界温度への影響を観察した。
• ヴァン・ホーフェン状態に達するまでドーピングレベル全域にわたる位相図をマッピングし、f波ペアリング領域および最適ドーピング付近での強磁性不安定性を特定した。
• スピン-軌道結合効果を検討し、KおよびK'点付近での小さなスピン分離に対してもf波ペアリングが安定であることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子-電子相互作用を含めた場合、電子ドーピングされたモノレイヤーMoS₂における支配的ペアリング対称性は何か？
• RQ2 ペアリングメカニズムは強磁性揺らぎによって駆動されており、ドーピングされたグラフェンにおけるd波ペアリングとはどのように異なるか？
• RQ3 ハンズ結合はペアリング強度および超伝導状態の安定性にどのように影響するか？
• RQ4 ドーピングに応じた臨界温度はどのように変化するか？実験観測と比較するとどうなるか？
• RQ5 同じフェルミ表面トポロジーを有するにもかかわらず、MoS₂における超伝導状態がグラフェンとはなぜ異なるのか？

主な発見

• 低ドーピング領域における支配的不安定性は、Mo近隣原子間構造を有する奇符号性f波ペアリングであり、強磁性揺らぎによって駆動される。
• 臨界温度はドーピングに伴い増加し、最適ドーピング（x ≈ 0.1）で約10 Kのピークを示し、実験と良好に一致する。
• ハンズ結合（JH ≈ 0.27 eV）は不可欠である：強磁性揺らぎを強化し、三重項f波ペアリングを安定化させるが、JHを低下またはゼロにするとペアリングは消失する。
• JHが小さい場合、系はスレーターd波ペアリングに遷移するため、ハンズ結合が異なるペアリングチャネルを切り替えるスイッチとして機能することが示された。
• ヴァン・ホーフェン状態付近では、強磁性基底状態が優位になるため、超伝導と磁性の競合が顕在する。
• Mo-d伝導帯の多軌道性と強いハンズ結合のおかげで、MoS₂は単一軌道系のドーピングされたグラフェンとは本質的に異なり、ここでは三重項ペアリングは出現しない。