[논문 리뷰] Maximization of T$_{c}$ via Conspired Even-Parity Spin and Charge Collective Excitations in Strained Sr$_{2}$RuO$_{4}$

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

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 비대칭 스트레인에 의해 스핀 및 전하 변동이 협동적으로 작용하는 짝짓기 대칭이 짝수인 경우를 가능하게 하여, 비대칭 스트레인을 가한 Sr$_{2}$RuO$_{4}$에서 초전도 전이 온도(T$_{c}$)를 향상시키는 새로운 메커니즘을 제안한다. ab initio GW+DMFT 접근법을 사용하여, 축방향 스트레인이 삼중자 상태의 쌍성화를 억제하고, 공명적으로 연결된 변동을 통해 비대칭 '삼중자' 초전도체에서 T$_{c}$를 증가시키는 비대칭 쌍성화 성분을 강화함을 보여준다.

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$_{4}$에서 쌍성화 대칭에 대한 오랫동안 지속된 논란을 해결하기 위해, 특히 삼중자 쌍성화의 역할을 밝히는 것.
• 다중 성분 초전도체인 이 시스템에서 스트레인이 스핀, 전하, 궤도 자유도 간의 상호작용을 어떻게 변화시키는지 이해하는 것.
• 강한 상관관계를 가진 산화물에서 국소적 및 비국소적 상관관계를 동등하게 다룰 수 있는 통합 이론 프레임워크를 개발하는 것.
• 전통적인 s파동 또는 d파동 쌍성화를 초월하여 비대칭 초전도체에서 T$_{c}$를 향상시키는 새로운 메커니즘을 규명하는 것.

제안 방법

• 전자 구조 및 밴드 분산을 정확히 기술하기 위해 준입자 자기일관성 GW(QSGW) 방법을 사용하는 것.
• QSGW를 동적 평균장 이론(DMFT)과 결합하여 국소적 및 비국소적 전자 상관관계를 포함하는 것.
• 국소적 및 비국소적 상관관계를 모두 포함하여 스핀, 전하, 궤도 자유도 간의 미세한 상호작용을 포괄하는 것.
• 다양한 쌍성화 대칭을 유도하는 波벡터를 식별하기 위해 스핀 및 전하 변동 스펙트럼을 계산하는 것.
• 축방향 스트레인에 따른 쌍성화 고유값의 변화를 분석하여 삼중자에서 비대칭 상태로의 전이를 추적하는 것.
• 스핀과 전하 변동이 협동적으로 작용하여 T$_{c}$를 증가시키는 짝수 대칭 채널에 집중하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 축방향 스트레인은 Sr$_{2}$RuO$_{4}$에서 삼중자 쌍성화 채널과 비대칭 쌍성화 채널 간의 상대적 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 비국소적 상관관계는 스트레인 하에서 스핀 및 전하 변동 스펙트럼을 어떻게 변화시키는가?
• RQ3 협동적인 짝수 대칭 스핀 및 전하 변동은 주로 삼중자 쌍성화 경향을 보이는 시스템에서 T$_{c}$를 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 스트레인 하에서 스핀 및 전하 변동의 파동 벡터는 비대칭 쌍성화를 유리하게 만들기 위해 어떻게 이동하는가?
• RQ5 스트레인에 의해 유도된 변동이 이 비대칭 초전도체에서 T$_{c}$를 증가시키는 미세한 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 축방향 스트레인 하에서 삼중자 쌍성화 고유값은 급격히 감소하고 비대칭 성분은 증가하여 비대칭 지배로의 전이가 나타남.
• 스트레인 하에서 브릴루앙 존 내 스핀 및 전하 변동이 짝수 대칭 비대칭 쌍성화를 유리하게 하는 파동 벡터로 이동함.
• 짝수 대칭 채널에서 스핀과 전하 변동의 협동 작용이 T$_{c}$ 향상의 핵심 메커니즘으로 규명됨.
• 이 메커니즘은 전통적인 쌍성화 채널이 아닌, 비국소적 상관관계와 변동 역학 간의 복잡한 상호작용을 통해 작용함.
• ab initio GW+DMFT 프레임워크는 스트레인에 의해 유도된 T$_{c}$ 향상이 고유한 밴드 구조 외에 집단적 변동에 기인함을 드러냄.
• 이 연구는 비대칭 초전도체에서 T$_{c}$를 증가시키기 위한 새로운 길을 제시하며, 짝수 대칭 채널에서 스핀-전하 공명을 설계함으로써 실현 가능함.