[논문 리뷰] Inter-valley coherent order and isospin fluctuation mediated superconductivity in rhombohedral trilayer graphene

Shubhayu Chatterjee, Taige Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 31.

Graphene research and applications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 삼각형 다층 그래핀(RTG)에서 상호-밸리 협동(IVC) 질서와 이소스핀 변동이 비단순 초전도성을 매개한다고 제안하며, IVC 변동이 임계점 근처에서 측면이 있는 완전히 빈도 있는 초전도성으로 이어진다. 상호-밸리 헌드 상호작용은 스핀-싱เก릿 상태에서의 페어링을 선호하며, 이는 실험적 초전도성 SC1와 일치한다. 반면 스핀-극화된 IVC 상태는 스핀-트리플렛 페어링을 선호하여 SC2의 폴리-한계 위반 현상을 설명한다.

ABSTRACT

Superconductivity was recently discovered in rhombohedral trilayer graphene (RTG) in the absence of a moiré potential. Superconductivity is observed proximate to a metallic state with reduced isospin symmetry, but it remains unknown whether this is a coincidence or a key ingredient for superconductivity. Using a Hartree-Fock analysis and constraints from experiments, we argue that the symmetry breaking is inter-valley coherent (IVC) in nature. We evaluate IVC fluctuations as a possible pairing glue, and find that they lead to chiral unconventional superconductivity when the fluctuations are strong. We further elucidate how the inter-valley Hund's coupling determines the spin-structure of the IVC ground state and breaks the degeneracy between spin-singlet and triplet superconductivity. Remarkably, if the normal state is spin-unpolarized, we find that a ferromagnetic Hund's coupling favors spin-singlet superconductivity, in agreement with experiments. Instead, if the normal state is spin-polarized, then IVC fluctuations lead to spin-triplet pairing.

연구 동기 및 목표

• 삼각형 다층 그래핀(RTG)의 금속상에서 초전도상에 근접한 상태에서 이소스핀 대칭성 파괴의 성격을 규명하는 것.
• 모리 패턴이 없는 RTG에서 이소스핀 변동이 초전도성을 매개할 수 있는지 조사하는 것.
• 상호-밸리 헌드 상호작용이 스핀-싱게릿 및 트리플렛 초전도 상태 간의 degeneracy를 어떻게 제거하는지 명확히 하는 것.
• 이론적 예측을 실험적 관측인 SC1(폴리-제한된) 및 SC2(폴리-제한 위반) 초전도상과 조율하는 것.

제안 방법

• SC1 근처에서 상호-밸리 협동(IVC) 상태가 지배 상태임을 규명하기 위해 자성 자기일관성 허트리-폭크 계산을 수행하며, 순수한 스핀 또는 밸리 극화 없이 U(1)v 밸리 대칭성을 깨는 상태이다.
• 초전도 불안정성을 결정하기 위해 평균장 바르딘-코퍼-슈리퍼(BCS) 갭 방정식을 사용하여 IVC 변동을 분석한다.
• 스핀-싱게릿과 트리플렛 초전도 채널 간의 비대칭성을 제거하기 위해 상호-밸리 헌드 상호작용 항을 도입한다.
• 운동량 공간 및 실공간 분석을 통해 측면 및 노드가 있는 초전도 상태를 포함한 IVC 오더 파라미터를 특성화한다.
• 헌드 상호작용의 부호(강자성 대 반강자성)가 페어링 대칭성과 스핀 구조에 미치는 영향을 평가한다.
• 내-밸리 및 외-밸리 산란 항을 모두 고려하며, 잠재적으로 작은 크기를 가진 보조 헌드 상호작용 항을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RTG의 금속상에서 초전도상 근처의 이소스핀 대칭성 파괴의 성격은 무엇인가?
• RQ2 IVC 변동만으로도 RTG에서 비단순 초전도성을 매개할 수 있으며, 그로 인한 페어링 대칭성은 무엇인가?
• RQ3 상호-밸리 헌드 상호작용은 IVC 기저 상태의 스핀 구조와 스핀-싱게릿 및 트리플렛 초전도체 간의 비대칭성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 SC1는 폴리-한계를 준수하지만 SC2는 이를 위반하며, 이는 정상 상태의 스핀 극화와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ5 격자 스케일의 헌드 상호작용은 밸리 및 스핀 자유도가 존재하는 조건에서 어떤 역할을 하며, 페어링 채널을 선택하는 데 기여하는가?

주요 결과

• SC1 근처의 IVC 상태는 시간역전 대칭성을 유지하는 스핀-싱게릿 전하 밀도파(CDW) 또는 스핀-회전 대칭성을 깨는 정렬된 스핀 밀도파(SDW)일 수 있으며, 이는 상호-밸리 헌드 상호작용의 부호에 따라 달라진다.
• IVC 변동은 측면 완전 갭 초전도성에서 비측면 노드 초전도성으로 전이되는 초전도 불안정성을 유도하며, 이는 IVC 상관 길이가 감소함에 따라 발생한다.
• 강자성 헌드 상호작용(JH > 0)의 경우 IVC 기저 상태는 스핀-싱게릿 초전도성을 선호하며, 이는 SC1의 폴리-제한된 거동와 일치한다.
• 스핀-극화된 상태에서는 IVC 변동이 스핀-트리플렛 페어링을 유도하여 SC2의 폴리-한계 위반 거동을 설명한다.
• 보조 헌드 상호작용 항(J̃H)은 s-파 페어링을 선호하며, 시스템의 스핀-극화 상태에서 비유닛리어 스핀-트리플렛 초전도성을 안정화시킬 수 있다.
• 상호-밸리 헌드 상호작용은 스핀-싱게릿 및 트리플렛 초전도체 간의 비대칭성을 제거하며, 강자성 상호작용은 극화되지 않은 상태에서 스핀-싱게릿 페어링을 선호한다.