[論文レビュー] Unconventional Superconductivity from Fermi Surface Fluctuations in Strongly Correlated Metals

Haoyu Hu, Ang Cai+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2021

Surface and Thin Film Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、重いフェルミオン金属における非単純超伝導性が、量子臨界点におけるKondo効果の破壊に起因するフェルミ面再構築に伴う量子揺らぎから生じることを提案する。ダイナミカル平均場理論とクラスターソルバー技法を用いて、局所モーメントにおける大きなスペクトル重みの揺らぎが、Kondoスケールの数パーセントに達する遷移温度を持つ頑健なスピン・シングレット対合作用を引き起こすことを示した。これは、CeRhIn$_5$ や CeCu$_2$Si$_2$ などの材料における高$T_c$超伝導性を説明する。

ABSTRACT

In quantum materials, electrons that have strong correlations tend to localize, leading to quantum spins as the building blocks for low-energy physics. When strongly correlated electrons coexist with more weakly-correlated conduction electrons, multiple channels of effective interactions develop and compete with each other. The competition creates quantum fluctuations having a large spectral weight, with the associated entropies reaching significant fractions of $R\ln 2$ per electron. Advancing a framework to understand how the fluctuating local moments influence unconventional superconductivity is both pressing and challenging. Here we do so in the exemplary setting of heavy-fermion metals, where the amplified quantum fluctuations manifest in the form of Kondo destruction and large-to-small Fermi-surface fluctuations. These fluctuations lead to unconventional superconductivity whose transition temperature is exceptionally high relative to the effective Fermi temperature, reaching several percent of the Kondo temperature scale. Our results provide a natural understanding of the enigmatic superconductivity in a host of heavy-fermion metals. Moreover, the qualitative physics underlying our findings and their implications for the formation of unconventional superconductivity apply to a variety of highly correlated metals with strong Fermi surface fluctuations.

研究の動機と目的

• 局所モーメントと伝導電子が共存する強い電子相関系における非単純超伝導のメカニズムを理解すること。
• 非単純超伝導にKondo効果と量子臨界性を統合した理論枠組みの不足を解消すること。
• 有効フェルミエネルギースケールに対して極めて高い遷移温度が観測される重いフェルミオン超伝導体の理由を説明すること。
• Kondo効果の破壊量子臨界性と頑健なスピン・シングレット対合作用の出現との間の関係を確立すること。
• このメカニズムを、フェルミ面の大きな揺らぎを示す他の相関系、特に銅酸化物とモアレ系に一般化すること。

提案手法

• 本研究では、強い電子相関を扱うために、ダイナミカル平均場理論（DMFT）と連続時間量子モンテカルロ（CT-QMC）クラスターソルバーを組み合わせた手法を採用した。
• 微視的フレームワークとしてアンダーソン格子模型を用い、伝導電子と$f$電子間の混合項$V$に強く局所的反発相互作用$U$を導入した。
• Kondo交換相互作用$J_K \propto V^2/U$とRKKY相互作用$I$を調整し、Kondoスクリーニングと反強磁性秩序の間の量子臨界性を探索した。
• スピン・シングレット超伝導不安定性を特定するため、ペアリング頂点のボルツマン・サルペッター方程式を解き、異常成分$\chi_{0,\uparrow\downarrow}^{\nu_n\nu_{n'}^{\prime},kk'}$に注目した。
• フェルミ面の一貫性を保つために、有効混合項$\Gamma_0^{\text{lat}} = 0.6\Gamma_0$を用いた修正された格子自己無撞着条件を適用した。
• 本手法では、Kondo効果の破壊（KD）とスピン密度波（SDW$_r$）の量子臨界点を区別し、非単純超伝導に焦点を当てたKondo破壊チャネルに注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Kondo効果の破壊に起因するフェルミ面再構築に伴う量子揺らぎが、非単純超伝導をどのように駆動するか。
• RQ2 局所モーメントとそのエントロピー寄与が、重いフェルミオン系における高$T_c$超伝導を可能にする役割は何か。
• RQ3 なぜ重いフェルミオン超伝導体の遷移温度が、従来の超伝導体とは異なり、Kondo温度の数パーセントに達するのか。
• RQ4 Kondo効果の破壊によって駆動される超伝導メカニズムは、フェルミ面の大きな揺らぎを示す他の強い相関系に一般化可能か。
• RQ5 KondoスクリーニングとRKKY相互作用の競合が、$f$電子の拡散・局在化転移を引き起こし、スピン・シングレット対作を促進するメカニズムは何か。

主な発見

• Kondo効果の破壊量子臨界性から、非単純超伝導が頑健に出現し、$T_c$はKondo温度$T_K$の数パーセントに達する。
• CeRhIn$_5$における超伝導転移温度は$T_c \approx 2.3$ Kであり、有効フェルミエネルギースケールに対して非常に高い。
• 超伝導凝縮に伴い放出されるエントロピーは、電子1個あたり$R\ln 2$の顕著な割合を占め、スピン-$\frac{1}{2}$の局所モーメントが能動的に関与していることを示唆する。
• このメカニズムは、特にKondo破壊チャネルにおいて、大規模なフェルミ面再構築が対作を駆動する点で、さまざまな量子臨界点にわたり頑健である。
• 理論的枠組みは、CeCu$_2$Si$_2$ や他の$T_c/T_{\text{eff}}$比が大きな重いフェルミオン系における謎の超伝導性をうまく説明できた。
• 結果は、高温銅酸化物、有機電荷移動塩、モアレヘテロ構造など、類似するフェルミ面の揺らぎが非単純対作を駆動する可能性がある他の相関系に対しても広範な関連性を示唆している。