[論文レビュー] Unconventional Superconductivity in Correlated, Multiband, and Topological Systems

Grgur Palle|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 1

ひとこと要約

本学位論文は、相関効果、多バンド系、トポロジカル系における非代替的超伝導を調査し、Bi2Se3のようなトポロジカルディラック系において、パリティ混合とスピン軌道結合によって駆動される新しい対称性の形成メカニズムを提案する。この研究では、こうした系における双極子的電子-電子相互作用が、強い相関や量子臨界性に依存せずに非代替的超伝導を誘発できることを示し、わずかではあるが頑健なTcとd波型の対称性をもたらすことを明らかにした。

ABSTRACT

In this thesis, we theoretically examine the pairing mechanisms and the identification of the pairing symmetry of unconventional superconductors whose normal states are correlated, multiband, or topological. In the first part, we investigate whether fluctuating intra-unit-cell loop currents can drive unconventional superconductivity. For general systems, we find that even-parity loop currents are not an effective pairing glue, whereas odd-parity loop currents, such as those proposed to explain the cuprates, are strong pair-breakers, suppressing rather than enhancing Cooper pairing. By employing the same methodology, we also analyze quantum-critical pairing due to other intra-unit-cell orders. For cuprates, we review the evidence for intra-unit-cell loop currents in the pseudogap, we classify the possible loop-current and particle-hole orders in the Emery model, and we analyze the pairing due to the various possible loop-current orders. In the second part, we present a novel electronic pairing mechanism that is based on electric monopole-dipole interactions. We show that these interactions become enhanced in quasi-2D systems with strong parity-mixing and spin-orbit coupling, such as doped Bi$_2$Se$_3$ or SnTe, and that they induce unconventional odd-parity superconductivity. In addition, we establish that the proposed pairing glue is measurable in the out-of-plane optical conductivity. In the last part, we reexamine the pairing symmetry of Sr$_2$RuO$_4$ in light of recent experiments. By theoretically analyzing recent $T_c$ and elastocaloric measurements under uniaxial stress, we demonstrate that the pairing state includes $s$, $d_{x^2-y^2}$, or body-centered $d_{xz} + i d_{yz}$ admixtures and that a bulk two-component superconductivity requires a great deal of fine-tuning to be consistent with ultrasound experiments.

研究の動機と目的

• 強い相関や競合秩序に近接しないドーピングされたBi2Se3における非代替的超伝導の謎を解明すること。
• 特にスピン軌道結合とパリティ混合を特徴とするトポロジカルバンド構造が、非代替的対称性を駆動できるかどうかを調査すること。
• こうした系における電子-電子相互作用が、スピンフラクチュエーションや強い相関に依存せずに超伝導を引き起こせるかどうかを特定すること。
• 特にカルトライス相において、ループ電流が量子臨界状態での対称性形成の媒介として果たす役割を検討すること。
• 最近の超伝導ギャップ構造に関する実験データを用いて、Sr2RuO4の対称性を制約すること。

提案手法

• BCS理論を用いたループ電流（LC）秩序における量子臨界フラクチュエーションの現象論的分析を行い、特に量子臨界点（QCP）近傍のユニットセル内LCフラクチュエーションに注目する。
• カルトライス系の三軌道（エメリー）モデルにおける、すべての可能なユニットセル内秩序（LC、ネマチック、フェロ磁性、アルタ磁性）を分類する。
• 強いスピン軌道結合とパリティ混合を有する系における有効な電子-電子相互作用の導出を行い、特に双極子的寄与に注目する。
• 2次量子化と群論を用いて対称性を分析し、特に媒介ボソンの時間反転およびパリティ性質に注目する。
• ボゴリューボフ準粒子干渉分析を適用し、走査トンネル顕微鏡（STM）データと比較することで、Sr2RuO4におけるギャップ対称性を制約する。
• 有効なスクリーニング下でのディラック系における超伝導転移温度（Tc）の数値推定を、双極子相互作用の強さに基づいて行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子臨界点近傍のループ電流フラクチュエーションは、高温超伝導体におけるクーパー対の形成を媒介できるか？
• RQ2 偶パリティのループ電流はなぜ超伝導を強化せず、奇パリティのものは逆に抑制するのか？
• RQ3 スピン軌道結合とパリティ混合を有するトポロジカルディラック系における電子-電子相互作用は、非代替的超伝導を引き起こせるか？
• RQ4 フェルミ面に有限の電気双極子密度を有する系において、双極子相互作用がどのように対称性形成を生成するか？
• RQ5 最近のSTMおよび熱伝導率測定を踏まえた場合、Sr2RuO4の最も妥当な対称性は何か？

主な発見

• 偶パリティのループ電流は、その量子臨界点近傍でクーパー対の形成を強化しない。対称性の強度は一定または低下する。
• 奇パリティのループ電流は超伝導を強く抑制するが、これはカルトライス系の仮想的ギャップ相におけるその役割と矛盾する。
• ユニットセル内秩序の中で、ネマチック、フェロ磁性、アルタ磁性のフラクチュエーションのみが、QCP近傍で超伝導を強化する。これは対称性の制約によるものである。
• 強いスピン軌道結合とパリティ混合を有する系では、フェルミ面に有限の電気双極子密度が生じ、双極子的電子-電子相互作用が強化される。
• こうした系における双極子的相互作用は、強い相関がなくても、数ケルビン程度のTcを有する非代替的超伝導を駆動できる。
• Bi2Se3のようなディラック系における提案されたメカニズムは、量子臨界性や局所的相関に依存せずに非代替的対称性を実現する有効な道筋を提供する。