[논문 리뷰] Even-parity spin-triplet pairing for orbitally degenerate correlated electrons by purely repulsive interactions

M. Zegrodnik, Jörg Bünemann외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 13.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 35인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 순수하게 반발력 상호작용에 의해 안정화되는, 짝수 페어링 스핀 트리플렛 s-파형 초전도성의 존재를 입증한다. 이는 궤도적으로 비편재화된 강한 상관 전자 체계에서 강한 전자 상관성과 헌드의 규칙 교환을 통해 발생한다. 두 밴드 허버드 모형에 통계적으로 일관된 구츠빌러 근사법을 적용하여, 하트리-폭-BCS 이론에서는 불안정한 짝성의 초전도성이지만, 전자 상관성을 적절히 고려할 경우, 특히 반 채움 근처에서 반자성과 공존할 때 안정된 초전도상태로 전환됨을 보여준다.

ABSTRACT

We demonstrate the stability of a spin-triplet paired s-wave (with an admixture of extended s-wave) state for the case of purely repulsive interactions in a degenerate two-band Hubbard model. We further show that near half-filling the considered kind of superconductivity can coexist with antiferromagnetism. The calculations have been carried out with the use of the so-called statistically consistent Gutzwiller approximation for the case of a square lattice. The absence of a stable paired state when analyzed in the Hartree-Fock-BCS approximation allows us to claim that the electron correlations in conjunction with the Hund's rule exchange play the crucial role in stabilizing the spin-triplet superconducting state. A sizable hybridization of the bands suppresses the paired state.

연구 동기 및 목표

• 순수 반발력 상호작용을 갖는 궤도적으로 비편재화된 상관 전자 체계에서 스핀 트리플렛 초전도성의 안정성을 조사하는 것.
• 흡입성 상호작용이나 현상학적 쌍성 메커니즘 없이도 짝수 페어링(s-파형) 스핀 트리플렛 쌍성의 존재 여부를 확인하는 것.
• 다중 밴드 상관 체계에서 반 채움 근처에서 스핀 트리플렛 초전도성과 반자성의 공존을 분석하는 것.
• 평균장 근사 이외의 영역에서 전자 상관성과 헌드의 규칙 교환의 역할을 명확히 하는 것.
• 구츠빌러 근사와 하트리-폭-BCS 접근법의 결과를 대조하여, 후자의 전자 상관성에 의한 쌍성 메커니즘을 포착하지 못하는 실패 원인을 밝히는 것.

제안 방법

• 현행 두 밴드 허버드 모형에 국소 전자 상호작용(U), 이종 궤도 상호작용(U′), 헌드의 규칙 교환(J)을 포함한다.
• 입자 수와 국소 스핀 대칭성을 유지하면서 평균장 이론을 초월한 강한 전자 상관성을 다루기 위해 통계적으로 일관된 구츠빌러 근사(SGA)를 사용한다.
• 쌍성 채널은 내부 궤도(s-파형) 및 이격 궤도(확장된 s-파형) 쌍성 연산자로 분석되며, 실공간에서 정의된 순서 매개변수 Δ(0) 및 Δ(1)로 표현된다.
• 자기적으로 일관된 자유 에너지를 최소화하여 초전도 및 반자성 상의 안정성을 결정하며, 온도는 영으로 설정한다(T→0).
• 하이브리드화 매개변수 βh를 변화시켜 쌍성 안정성에 미치는 영향을 평가하며, 특히 밴드 재규격화와 응축 에너지와의 관계를 분석한다.
• 전자 상관성이 초전도성 쌍성 메커니즘을 가능하게 하는 역할를 분리하기 위해 하트리-폭-BCS 근사와 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순수 반발력 상호작용을 갖는 두 밴드 허버드 모형에서 짝수 페어링 스핀 트리플렛 쌍성이 안정화될 수 있는가?
• RQ2 평균장 접근법이 실패할 경우 전자 상관성과 헌드의 규칙 교환은 스핀 트리플렛 초전도성을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 반 채움 근처에서 반자성 질서의 존재가 스핀 트리플렛 초전도상의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이밴드 하이브리드화는 스핀 트리플렛 쌍성 상태의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 왜 하트리-폭-BCS 접근법은 구츠빌러 근사에서 관측된 초전도 상태를 예측하지 못하는가?

주요 결과

• 하트리-폭-BCS 이론의 예측과는 달리, 순수 반발력 상호작용(U′−J>0) 조건에서도 짝수 페어링 스핀 트리플렛 쌍성 상태(확장된 s-파형 혼합 포함)가 안정된다.
• 내부 궤도 쌍성 상태 A는 모든 값에서 정상상보다 낮은 자유 에너지를 가지며, 특히 J_eff=−0.1일 때 갭 Δ(0)=0.02325를 나타낸다.
• 이격 궤도 쌍성 성분 Δ(1)은 작다(예: J_eff=−0.1일 때 0.00191), 그러나 Δ(0)과 함께 공존하며, 동일한 임계 매개변수 값에서 동시에 사라진다.
• 상당한 하이브리드화 매개변수 βh>0.0379는 초전도 갭을 완전히 억제하며, 이는 쌍성이 오직 약한 하이브리드화 시스템에서만 안정됨을 시사한다.
• 반 채움 근처에서 초전도성과 반자성의 공존상은 안정적이며, 철 페니크라이드의 물리적 메커니즘과 일치한다.
• 밴드 재규격화 계수 Q는 J 증가함에 따라 감소하며, J_eff=0.15일 때 0.71454에 도달하여 쿼라르피article 무게에 대한 강한 상관 효과를 나타낸다.