[論文レビュー] Unconventional superconductivity mediated solely by isotropic electron-phonon interaction

Fabian Schrodi, Peter M. Oppeneer+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2021

Iron-based superconductors research参考文献 39被引用数 23

ひとこと要約

本研究では、頂点補正をミグダル近似を超えて含めた場合、縮重したフェルミ表面を有する系において、等方的電子-格子相互作用（EPI）のみが非単一の超伝導を媒介可能であることを示している。自己無撞撃的で全バンド幅を考慮したエリアーシュベル方程式に頂点補正を組み込んだ結果、銅酸化物超伝導体では d 波対称性、鉄系超伝導体では s± 対称性、CeCoIn5 では d 波対称性の対称性を示すが、これは長年にわたり「スピン揺らぎなどの電子的メカニズムのみが非単一対称性を生じうる」との信念に挑戦するものである。

ABSTRACT

Unconventional superconductivity is commonly linked to electronic pairing mechanisms, since it is believed that the conventional electron-phonon interaction (EPI) cannot cause sign-changing superconducting gap symmetries. Here, we show that this common understanding needs to be revised when one considers a more elaborate theory of electron-phonon superconductivity beyond standard approximations. We selfconsistently solve the full-bandwidth, anisotropic Eliashberg equations including vertex corrections beyond Migdal's approximation assuming the usual isotropic EPI for cuprate, Fe-based and heavy-fermion superconductors with nested Fermi surfaces. In case of the high-$T_c$ cuprates we find a $d$-wave order parameter, as well as a nematic state upon increased doping. For Fe-based superconductors, we obtain $s_{\pm}$ gap symmetry, while for heavy-fermion CeCoIn$_5$ we find unconventional $d$-wave pairing. These results provide a proof-of-concept that EPI cannot be excluded as a mediator of unconventional and of high-$T_c$ superconductivity.

研究の動機と目的

• 非単一超伝導を生じる要因として、長年「スピン揺らぎ」などの電子的メカニズムのみが有効であると見なされてきた見解に挑戦すること。
• ミグダル近似を超えた非摂動的効果を含めた場合、等方的電子-格子相互作用（EPI）が符号変化を示す超伝導ギャップ対称性を誘発できるかどうかを調査すること。
• フェルミ表面の縮重と中程度の非断熱性（α ≈ 0.1–0.3）が、格子励起による非単一対称性の超伝導を可能にする役割を特定すること。
• 電子-格子結合が高Tc超伝導体および非単一超伝導体において顕著な役割を果たす可能性を示す概念的証明を提供すること。

提案手法

• 自己無撞撃的数値的手法を用いて、ミグダル近似を超えた頂点補正を含む全バンド幅で非等方的エリアーシュベル方程式を解く。
• Nambu-Dyson形式を用いて、交差する自己エネルギー図および頂点関数を導入し、電子自己エネルギーの再規格化を実現する。
• 各材料系に対して、バンド依存性のない等方的相互作用強度 g0 と固定された格子振動数 Ω を用いて電子-格子結合をモデル化する。
• 実際のタイトバインディング模型を用いて、代表的な非単一超伝導体（銅酸化物超伝導体、鉄系超伝導体、CeCoIn5）にこの手法を適用する。
• 自己無撞撃的に解かれたエリアーシュベル方程式から、超伝導ギャップ関数 ∆k,m = φk,m / Zk,m を計算する。
• 周波数および運動量の全依存性を保持し、多バンドおよび非等方的性質を完全に再現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 等方的電子-格子相互作用のみで、符号変化を示すギャップ対称性を有する非単一超伝導を生じさせることができるか？
• RQ2 ミグダル近似を超えた頂点補正が、EPI を通じた非単一対称性の超伝導を可能にする役割は何か？
• RQ3 フェルミ表面の縮重と中程度の非断熱性（α ≈ 0.1–0.3）が、EPI による非単一対称性の超伝導の出現に与える影響は何か？
• RQ4 EPI が高Tc銅酸化物超伝導体および鉄系超伝導体で観測された d 波および s± ギャップ対称性を説明できるか？
• RQ5 格子励起、特に等方的結合でさえも、反発的電子的相互作用を必要とせずに、節を持つ対称性のペアリングを媒介できるメカニズムは存在するか？

主な発見

• 高Tc銅酸化物超伝導体では、頂点補正を含めることで、実験的観測と整合する節を持つ d 波超伝導ギャップが得られる。
• ドーピングが増加すると、d 波対称性に加えてネマチック相が出現し、対称性の破れとペアリングの複雑な相互作用が示唆される。
• 鉄系超伝導体では、モデルが s± ギャップ対称性を予測し、これらの材料で観測された符号変化対称性と一致する。
• 重フェルミオン系 CeCoIn5 では、電子的反発相互作用が存在しないにもかかわらず、非単一の d 波ペアリングが計算で予測される。
• 非断熱効果により、s 波チャネルにおける有効電子-格子相互作用が反発的になることが結果として示され、非単一対称性のペアリングが可能になる。
• 本研究では、フェルミ表面の縮重と頂点補正を組み合わせた場合、等方的 EPI が高Tc超伝導を媒介可能であることが示され、非単一対称性のペアリングを生じる要因としてスピン揺らぎ以外のメカニズムが存在することを挑戦する。