[논문 리뷰] Spectral properties of a mixed singlet-triplet Ising superconductor

Sourabh Patil, Gaomin Tang외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 07.

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한 줄 요약

이 연구는 평행자기장 하에서 혼합 스핀-1/2-스핀 트리플렛 이징 초전도체의 스펙트럼 특성을 조사하며, 유한 에너지 쌍화 상관관계에서 기인하는 '미라 갭'에 초점을 맞춘다. 연구는 트리플렛 쌍화가 최대 미라 갭 너비를 감소시키고, 온도가 트리플렛 임계온도 이하일 경우 고자기장에서도 유한한 미라 갭을 가능하게 하여, 단일 스핀-1/2 경우와 대조적으로 임계자기장에서 미라 갭이 사라지는 현상과는 다름을 보여준다.

ABSTRACT

Conventional two-dimensional superconductivity is destroyed when the critical in-plane magnetic field exceeds the so-called Pauli limit. Some monolayer transition-metal dichalcogenides lack inversion symmetry and the strong spin-orbit coupling leads to a valley-dependent Zeeman-like spin splitting. The resulting spin-valley locking lifts the valley degeneracy and results in a strong enhancement of the in-plane critical magnetic field. In these systems, it was predicted that the density of states in an in-plane field exhibits distinct mirage gaps at finite energies of about the spin-orbit coupling strength, which arise from a coupling of the electron and hole bands at energy larger than the superconducting gap. In this study, we investigate the impact of a triplet pairing channel on the spectral properties, primarily the mirage gap and the superconducting gap, in the clean limit. Notably, in the presence of the triplet pairing channel, the mirage-gap width is reduced for the low magnetic fields. Furthermore, when the temperature is lower than the triplet critical temperature, the mirage gaps survive even in the strong-field limit due to the finite singlet and triplet order parameters. Our work provides insights into controlling and understanding the properties of spin-triplet Cooper pairs.

연구 동기 및 목표

• 평행자기장 하에서 이징 초전도체의 스핀-1/2와 트리플렛 쌍화 채널 간의 상호작용을 이해하기 위해.
• 트리플렛 쌍화가 스펙트럼 특성, 특히 유한 에너지 쌍화 상관관계의 상징인 미라 갭에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 온도가 트리플렛 임계온도 이하일 경우 강자기장 영역에서 미라 갭이 어떻게 유지되는지 조건을 규명하기 위해.
• 소층 NbSe2에서 관측된 초전도 갭의 증폭 현상과 기존 단일 스핀-1/2 예측 간 괴리를 해결하기 위해 트리플렛 쌍화 효과를 포함하기 위해.

제안 방법

• 연구는 K 및 K′ 밴드 구조 근처의 시스템을 近似하기 위해 Nambu 기저에서의 Bogoliubov–de Gennes 해밀토니안을 사용하며, 스핀-1/2 및 트리플렛 순서파rameter를 모두 포함한다.
• 모델은 스핀-오비트 결합(이징형)과 평행자기장을 포함하며, 자화 효과는 자기장과 스핀-오비트 결합에서 기인하는 효과적 제이먼 항으로 기인한다.
• 자기적 갭 방정식을 수치적으로 자성화하여 스핀-1/2(Δs) 및 트리플렛(Δt) 순서파rameter의 온도 및 자기장 의존성을 결정한다.
• 밀도 상태에서 미라 갭 너비 δ를 추출하며, 고자기장 근사에서 분석적 근사를 사용하여 Δs 및 Δt의 渐近적 행동을 유도한다.
• 연구는 불순물이 없는 청결한 근사 조건을 가정하며, 스핀-1/2 임계온도 Tcs에 대한 무차원 단위를 사용한다.
• 두 영역에서 분석을 수행한다: T > Tct (임계자기장에서 두 순서파rameter가 모두 사라짐) 및 T < Tct (고자기장에서도 두 순서파rameter가 유한함), 주로 스펙트럼 차이에 초점을 맞춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 평행자기장 하에서 트리플렛 쌍화 채널을 포함함으로써 이징 초전도체의 최대 미라 갭 너비는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 온도가 트리플렛 임계온도 Tct 이하일 경우 고평행자기장에서 미라 갭은 어떻게 되는가?
• RQ3 왜 소층 NbSe2에서의 초전도 갭 관측치는 단일 스핀-1/2 예측을 초월하는가?
• RQ4 강자기장 근사에서 미라 갭이 어떻게 유지되는가? 이는 단일 스핀-1/2 경우와 어떻게 다를까?
• RQ5 평행자기장 존재 하에서 자성화 갭 방정식에 의해 스핀-1/2와 트리플렛 순서파라미터 간의 상호작용은 어떻게 규정되는가?

주요 결과

• 트리플렛 임계온도 Tct가 증가할수록, 평행자기장 조절로 달성 가능한 최대 미라 갭 너비는 감소한다.
• 온도가 Tct 이상일 경우, 임계자기장에서 미라 갭은 사라지며, 이는 스핀-1/2 단일 경우와 동일하게 Δs 및 Δt가 동일한 자기장에서 사라지는 것과 일치한다.
• 온도가 Tct 이하일 경우, 고평행자기장에서도 스핀-1/2 및 트리플렛 순서파라미터가 유한하게 유지되어, 유한한 미라 갭이 존재한다.
• 고자기장 근사에서 스핀-1/2 순서파라미터는 Δs ∝ βsoΔt / Bx 로 스케일되며, Δt가 0이 아니면 Δs가 유한하게 유지됨을 보여준다.
• T < Tct 조건에서 비로소 유한한 순서파라미터로 인해 미라 갭 너비 δ는 고자기장에서도 유지되며, 이는 유한 에너지 쌍화 상관관계의 강건성을 시사한다.
• 분석적 유도는 스핀-1/2와 트리플렛 채널 간의 결합이 강자기장 영역에서 미라 갭을 유지시키며, 갭 구조를 안정화시킴을 확인한다.