[논문 리뷰] CePt3Si: an unconventional superconductor without inversion center

K. V. Samokhin, Eeuwe S. Zijlstra외 1명|arXiv (Cornell University)|2003. 11. 10.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 반전 대칭이 없는 강한 스핀-오비탈 결합을 갖는 중금속 초전도체 CePt3Si을 연구하여, 시간 역전과 운동량 역전에 대해 초전도 순서 매개변수의 기현성(odd parity)을 밝혀냈다. 반전 대칭의 부재는 갭 함수에 선형 노드를 유도하며, 외부 자장이 없음에도 불구하고 비균일한 헬리컬 초전도 상이 존재할 수 있도록 하여 실험적으로 관측된 저온에서의 비국소적 행동과 일치한다.

ABSTRACT

Most superconducting materials have an inversion center in their crystal lattices. One of few exceptions is the recently discovered heavy-fermion superconductor CePt3Si [E. Bauer et al, Phys. Rev. Lett. 92, 027003 (2004)]. In this paper, we analyze the implications of the lack of inversion symmetry for the superconducting pairing. We show that the order parameter is an odd function of momentum, and that there always are lines of zeros in the excitation energy gap for one-component order parameters, which seems to agree with the experimental data. The superconducting phase can be non-uniform, even without external magnetic field, due to the presence of unusual gradient terms in the Ginzburg-Landau free energy. Also, we performed ab initio electronic structure calculations for CePt3Si, which showed that the spin-orbit coupling in this material is strong, and the degeneracy of the bands is lifted everywhere except along some high symmetry lines in the Brillouin zone.

연구 동기 및 목표

• 반전 중심이 없는 중금속 초전도체인 CePt3Si의 대칭성과 쌍성 메커니즘을 이해하기 위해.
• 반전 대칭의 파괴가 초전도 순서 매개변수와 갭 구조에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 긴축-장력 항이 Ginzburg-Landau 자유 에너지에 포함된 경우 비균일 초전도 상이 발생할 수 있는지 조사하기 위해.
• 강한 스핀-오비탈 결합이 밴드 degeneracy를 제거하고 쌍성 대칭에 미치는 영향을 규명하기 위해.

제안 방법

• 자기 공간군 C4v의 군 이론적 분석을 통해 가능한 초전도 순서 매개변수를 분류하기 위해.
• CePt3Si의 밴드 분산과 스핀-오비탈 결합 효과를 결정하기 위한 ab initio 전자 구조 계산을 위해.
• 공간적 비균일성의 초전도 상태를 연구하기 위해 1차 미분항을 포함한 현상학적 Ginzburg-Landau 접근법을 사용하기 위해.
• 시간 역전과 운동량 역전에 대한 순서 매개변수의 대칭성 분석을 통해 기현성과 노드 구조를 결정하기 위해.
• Ce-4f 상태가 에너지 수준에서 Fermi 표면에 미치는 영향을 중심으로, Fermi 표면의 겹침과 그 분리 정도를 계산하기 위해.
• C4v의 1차원 표현에 대한 갭 대칭을 계산하여 Fermi 표면에서 선형 노드의 위치를 예측하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반전 대칭이 없고 강한 스핀-오비탈 결합이 존재하는 조건에서, CePt3Si의 초전도 순서 매개변수의 대칭성은 무엇인가?
• RQ2 초전도 갭 함수의 선형 노드는 어디에 위치해 있으며, 그 위치는 Fermi 표면의 위상 구조와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ3 외부 자장이 없음에도 불구하고 CePt3Si에서 비균일(헬리컬) 초전도 상이 나타날 수 있는가?
• RQ4 반전 대칭의 부재는 Ginzburg-Landau 자유 에너지와 초전도 상태의 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 상간 쌍성 산란과 밴드 분리가 다양한 Fermi 표면 겹에 걸쳐 쌍성 대칭에 얼마나 영향을 미치는가?

주요 결과

• CePt3Si의 초전도 순서 매개변수는 운동량 반전(k → -k)에 대해 기현성(odd)이며, 이는 반전 대칭의 부재와 파울리 배타 원리의 직접적 결과이다.
• 초전도 갭의 선형 노드는 고대칭 평면과 부리외엔 존 경계에서 예측되며, 예를 들어 k_z = 0, ±π/c 및 k_x = 0, ±π/a 에서 발생한다. 이는 온도에 대한 거듭제곱 법칙의 온도 의존성과 실험적으로 일치한다.
• 강한 스핀-오비탈 결합은 Fermi 표면 전반에서 밴드 디세너지화를 일으키며, 분리 에너지는 50–200 meV에 이르며, Γ–Z 및 A–M 대칭 선에서는 소멸한다.
• 반전 대칭의 파괴로 인해 Ginzburg-Landau 자유 에너지에 1차 미분항이 존재하며, 이는 외부 자장이 없음에도 불구하고 비균일한 헬리컬 초전도 상태로의 전이를 유도할 수 있다.
• Tc에서의 열용량 점프 감소와 저온에서의 선형 T항은 일부 Fermi 표면 겹에서는 노드가 존재하지만 다른 겹에서는 노드가 없는 갭 함수와 일치한다.
• 상간 쌍성 산란은 모든 Fermi 표면 겹(α, β, γ)에 동일한 갭 대칭을 유도하지만, 크기는 다를 수 있다. 이는 밴드 분리가 있음에도 불구하고 통합된 쌍성 메커니즘을 지지한다.