[論文レビュー] Two-dimensional altermagnets: Superconductivity in a minimal microscopic model

Bjørnulf Brekke, Arne Brataas+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2023

Physics of Superconductivity and MagnetismPhysics and Astronomy参考文献 53被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、非磁性サイトとスピン分離d波電子バンド、非简約な磁振子モードを明示的に結びつける最小限の2次元微視的モデルを提案する。磁振子媒介対合作用を通じて、化学ポテンシャルの調整により臨界温度を制御可能なスピン極化p波超伝導状態を示し、最適ドーピング付近で顕著な増幅を達成する。これはスピン軌道結合や非補償界面を必要としない、代磁性体における非単純超伝導の微視的メカニズムを提供する。

ABSTRACT

We propose a minimal toy model for a two-dimensional altermagnet. The model unravels altermagnetic properties at a microscopic level. We find spin-split electron- and non-degenerate magnon bands with a $d$-wave symmetry. We use the model to explore magnon-mediated superconductivity in altermagnets. The dominant superconducting state is spin-polarized with a $p$-wave symmetry. The state adopts its characteristics from the spin-split electron bands. Furthermore, we find that the superconducting critical temperature of altermagnets can be significantly enhanced by tuning the chemical potential.

研究の動機と目的

• スピン軌道結合に依存せず、代磁性体のスピン分離バンドと非簡約な磁振子モードの起源を捉える最小限の2次元代磁性体の微視的モデルの構築を目的とする。
• 代磁性体における拡散電子と磁振子の相互作用と、それらが非単純超伝導を媒介する役割を調査することを目的とする。
• 磁振子揺らぎが、非自明な対称性と調整可能な臨界温度を有する超伝導状態を代磁性系に誘発できるかどうかを検討することを目的とする。
• 代磁性体における超伝導が、化学ポテンシャルの調整により強化され得ることを示し、これは反強磁性体における「圧縮効果」と類似しているが、非補償界面を必要としないことを見ることを目的とする。

提案手法

• 3つの異なるサイト（回転対称性で関連する2つの磁性サイトと1つの非磁性サイト）を持つp4mm格子上にタイトバインディングハミルトニアンを定式化し、逆空間対称性の欠如に起因する代磁性秩序を可能にする。
• 最近接遷移（t）、反対磁性サイト間の第二近接遷移（t₂）、および拡散電子と局在スピン（S_i）間の局所的交換相互作用（J_sd）を含むが、スピン軌道結合は含まない。
• ハミルトニアンの対角化により電子バンド構造を計算し、非磁性サイトと磁性秩序の相互作用によって生じるd波対称性のスピン分離バンドを明らかにする。
• 局在スピンハミルトニアンのスピン波近似から磁振子モードを導出し、逆空間対称性の欠如に起因して非簡約なモードが得られる。
• エリアシブ形式を用いて超伝導対合作用を研究し、電子-ボソン頂点を磁振子交換から導出し、運動量空間における自己無撞撃的にギャップ方程式を解く。
• 臨界温度はギャップ方程式の最大固有値に対する固有値問題を解くことで決定され、逆臨界温度はボソン分布関数の積分と関連づけられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道結合を必要とせず、実際の代磁性体で観測されるd波スピン分離電子バンドと非簡約な磁振子モードを再現できる最小限の微視的モデルは存在するか？
• RQ2 磁振子交換は代磁性体における超伝導対合作用を媒介するか？ その結果得られる超伝導状態の対称性は何か？
• RQ3 代磁性体における超伝導の臨界温度は、化学ポテンシャルの調整により向上するか？ もし向上するならば、どの程度向上するか？
• RQ4 代磁性体におけるスピン分離電子構造が、超伝導状態のスピン極性をどのように生じさせるか？

主な発見

• 非磁性サイトと磁性秩序の相互作用により、スピン軌道結合を必要とせず、d波対称性のスピン分離電子バンドが生成される。
• 磁性サブラットの間の逆空間対称性の欠如に起因して、非簡約な磁振子モードが出現し、代磁性体の対称性制約と整合的である。
• 磁振子媒介超伝導は、スピン極化p波超伝導状態をもたらし、ギャップ関数はスピン分離電子バンドの特徴を引き継ぐ。
• 化学ポテンシャルを最適ドーピング付近に調整することで、超伝導状態の臨界温度が顕著に向上し、従来の反強磁性体における圧縮効果で得られる臨界温度と同等の値に達する。
• 非補償界面を必要としないため、従来の反強磁性体超伝導体とは異なるメカニズムである。
• 電子相関効果と磁振子交換の相互作用によって超伝導状態が安定化され、ギャップ関数はp波対称性に一致する強い運動量依存性を示す。