[논문 리뷰] Evening out the spin and charge parity to increase T$_c$ in unconventional superconductors

Swagata Acharya, Dimitar Pashov외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 13.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 축방향 스트레인을 통해 스핀 및 전하 변동을 조절하여 비보존 초전도체에서 T$_c$ 를 향상시키는 새로운 메커니즘을 제안한다. *ab initio* GW+DMFT 접근법을 사용하여, 스트레인은 삼중성 쌍형성 성분을 억제하고, 짝성 채널에서 협동 작용하는 스핀 및 전하 변동을 통해 단성 쌍형성 성분을 강화함으로써, Sr$_2$RuO$_4$ 에서 T$_c$ 를 증가시킨다.

ABSTRACT

Unconventional superconductivity in Sr$_{2}$RuO$_{4}$ has been intensively studied for decades. The origin and nature of the pairing continues to be widely debated, in particular, the possibility of a triplet origin of Cooper pairs. However, complexity of Sr$_{2}$RuO$_{4}$ with multiple low-energy scales, involving subtle interplay among spin, charge and orbital degrees of freedom, calls for advanced theoretical approaches which treat on equal footing all electronic effects. Here we develop a novel approach, a detailed \emph{ab initio} theory, coupling quasiparticle self-consistent \emph{GW} approximation with dynamical mean field theory (DMFT), including both local and non-local correlations. We report that the superconducting instability has multiple triplet and singlet components. In the unstrained case the triplet eigenvalues are larger than the singlets. Under uniaxial strain, the triplet eigenvalues drop rapidly and the singlet components increase. This is concomitant with our observation of spin and charge fluctuations shifting closer to wave-vectors favoring singlet pairing in the Brillouin zone. We identify a complex mechanism where charge fluctuations and spin fluctuations co-operate in the even-parity channel under strain leading to increment in $T_c$, thus proposing a novel mechanism for pushing the frontier of $T_c$ in unconventional `triplet' superconductors.

연구 동기 및 목표

• Sr$_2$RuO$_4$ 의 쌍형성 대칭에 대한 오랫동안 지속된 논란을 해결하고, 특히 쿠퍼 쌍의 성격을 규명하기 위해.
• 비보존 초전도체에서 스핀, 전하, 궤도 자유도 간의 복잡한 상호작용을 다루기 위해.
• 국소 및 비국소 상관관계를 동등하게 다룰 수 있는 통합 이론 프레임워크를 개발하기 위해.
• 외부 스트레인이 초전도 쌍형성 채널을 어떻게 변화시키고 T$_c$ 를 향상시키는지 조사하기 위해.

제안 방법

• 전자 밴드 구조와 필터링 효과를 정확히 기술하기 위해 준입자 자기일관성 *GW* 근사를 사용한다.
• *GW* 와 동적 평균장 이론(DMFT)을 조합하여 국소 및 비국소 전자 상관 효과를 모두 포함한다.
• 결과적으로 도출된 *ab initio* 전자 구조를 바탕으로, 파라케트 동적 정점 근사법을 통해 초전도 쌍형성 불안정성을 계산한다.
• 축방향 스트레인 하에서 다양한 대칭 채널(단성 및 삼중성)에서의 쌍형성 고유값의 변화를 분석한다.
• 브릴루앙 존 내에서 스핀 및 전하 변동의 波벡터 이동을 추적하여 쌍형성 대칭 변화를 규명한다.
• 스트레인 하에서 짝성 채널 내에서 스핀 및 전하 변동 간의 협동 작용이 T$_c$ 향상에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 축방향 스트레인이 Sr$_2$RuO$_4$ 의 단성 및 삼중성 쌍형성 채널의 상대적 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 스트레인 하에서 스핀 및 전하 변동이 초전도 쌍형성의 원동력으로서 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 짝성 채널 내에서 스핀 및 전하 변동 간의 협동 작용이 T$_c$ 를 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 스트레인 하에서 스핀 및 전하 변동의 波벡터는 어떻게 변화하며, 이는 쌍형성 대칭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 T$_c$ 증가의 근본 원인은 무엇이며, 삼중성 지배의 붕괴와는 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• 비스트레인 상태에서는 삼중성 쌍형성 고유값이 단성 쌍형성 고유값을 초월하여, 주로 삼중성 쌍형성 상태를 지지한다.
• 축방향 스트레인 하에서는 삼중성 고유값이 급격히 감소하고, 단성 성분이 크게 증가한다.
• 스트레인 하에서 스핀 및 전하 변동이 짝성(단성) 쌍형성에 유리한 브릴루앙 존 내의 波벡터로 이동한다.
• 짝성 채널 내에서 스핀 및 전하 변동 간의 협동 메커니즘이 T$_c$ 향상의 주요 원동력으로 규명되었다.
• 이 연구는 변동 집합 현상에 의해 단성 쌍형성을 촉진하는 방식으로 스트레인을 설계함으로써 비보존 초전도체에서 T$_c$ 를 증가시키는 새로운 길을 제시한다.
• *ab initio* GW+DMFT 프레임워크는 다수의 전자 자유도 상호작용을 정확히 캡처하여 쌍형성 진화의 정량적 예측을 가능하게 하였다.