[논문 리뷰] Spin and Charge Fluctuation Induced Pairing in ABCB Tetralayer Graphene

Ammon Fischer, Lennart Klebl외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 23.

Graphene research and applicationsMaterials Science참고 문헌 51인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 현실적인 단거리 및 장거리 쿠론 상호작용을 고려한 오비탈 해상도 랜덤 위상 근사(RPA)를 사용하여 ABCB-스택된 4층 그래핀에서 초전도성의 성질을 조사한다. 비틀림 효과가 없는 초전도성의 기원을 밝혀내며, 반도체 띠 가장자리 근처의 반도체 특이점에서 스핀 변동에 의해 유도되는 f-파 스핀 트리플렛, 밸리 싱글렛 초전도성과 전하 변동에 의해 유도되는 p-파 초전도성을 규명한다. 두 메커니즘이 동시에 존재함을 확인하며, 상호작용 유형 간의 경쟁이 초전도성 쌍성 대칭을 결정짓는 데 기여한다.

ABSTRACT

Motivated by the recent experimental realization of ABCB stacked tetralayer graphene [Wirth et al., ACS Nano 16, 16617 (2022)], we study correlated phenomena in moiré-less graphene tetralayers for realistic interaction profiles using an orbital resolved random phase approximation approach. We demonstrate that magnetic fluctuations originating from local interactions are crucial close to the van Hove singularities on the electron- and hole-doped side promoting layer selective ferrimagnetic states. Spin fluctuations around these magnetic states enhance unconventional spin-triplet, valley-singlet superconductivity with $f$-wave symmetry due to intervalley scattering. Charge fluctuations arising from long range Coulomb interactions promote doubly degenerate p-wave superconductivity close to the van Hove singularities. At the conduction band edge of ABCB graphene, we find that both spin and charge fluctuations drive $f$-wave superconductivity. Our analysis suggests a strong competition between superconducting states emerging from long- and short-ranged Coulomb interactions and thus stresses the importance of microscopically derived interaction profiles to make reliable predictions for the origin of superconductivity in graphene based heterostructures.

연구 동기 및 목표

• 비틀림이 없는 ABCB 4층 그래핀에서 초전도성의 기원을 이해하기 위해, 모리 효과가 없고 상호작용 효과가 고유 전자 구조에 의해 결정되는 시스템을 대상으로 한다.
• 효과 모델의 한계를 해결하기 위해, 단거리 및 장거리 쿠론 상호작용을 일관되게 포함하는 아비 이노우 모티베이티드 오비탈 해상도 RPA 접근법을 사용한다.
• 국소 상호작용에서 기인한 스핀 변동(지역적 상호작용에서 기인)과 장거리 쿠론 상호작용에서 기인한 전하 변동(장거리 쿠론 상호작용에서 기인)이 비국소 초전도성의 기여를 분리하여 분석한다.
• 스핀 변동에 의해 유도되는 f-파 메커니즘과 전하 변동에 의해 유도되는 p-파 메커니즘 간의 경쟁이 반도체 특이점 근처에서 주요 초전도성 순서 매개변수에 미치는 영향을 규명한다.
• 특히 도핑된 띠 가장자리와 반도체 특이점 근처에서 온도 및 스크리닝 변화에 따른 초전도성 불안정성의 강건성을 평가한다.

제안 방법

• ABCB 4층 그래핀의 원자 구조 전자 띠 구조를 기술하기 위해 수정된 Slonzevecki-Weiss-McClure 밴드 모델을 사용하여, 제1원리 계산과 일치하는 결과를 도출한다.
• 입자-홀 수반성 및 입자-입자 수반성의 계산을 위해 오비탈 해상도 랜덤 위상 근사(RPA)를 적용하여 스핀 및 전하 변동의 체계적 분석이 가능하도록 한다.
• 세 가지 다른 RPA 변형을 사용: x-RPA(단지 국소 허버드 U), d-RPA(스크리닝된 장거리 쿠론 상호작용), xd-RPA(단거리 및 장거리 상호작용의 조합)를 통해 각 기여를 분리한다.
• 오비탈 공간에서의 효과적 쌍성 정점(Veretex)을 밴드 공간으로 투영하여, 서로 다른 패치에서의 쿠퍼 쌍 간 산란을 중심으로 주요 쌍성 대칭을 규명한다.
• 반도체 특이점 근처의 구멍 도핑 영역을 고려하기 위해, μ_min = -5 meV 및 μ_max = -2 meV로 피에르 표면의 커팅을 설정하여 열적 넓이화(η_FS > T)와 일관성을 확보한다.
• 초전도성 결합 상수 λ_SC 가 화학적 포텐셜, 허버드 U, 스크리닝 길이 d, 온도 T 의 함수로 어떻게 변화하는지 분석하여 초전도성 상태의 안정성과 대칭성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국소 상호작용에서 기인한 스핀 변동이 ABCB 4층 그래핀에서 반도체 특이점 근처에서 초전도성을 어떻게 유도하는가?
• RQ2 장거리 쿠론 상호작용을 통해 기인한 전하 변동은 초전도성 쌍성에 어떤 기여를 하는가? 어떤 대칭성을 선호하는가?
• RQ3 스핀 및 전하 변동에 의해 유도되는 쌍성 메커니즘 간의 상호작용이 주요 초전도성 순서 매개변수에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 온도 및 스크리닝 길이 변화에 따른 예측된 초전도성 불안정성은 얼마나 강건한가?
• RQ5 도핑된 띠 가장자리에서 f-파와 p-파 중 어느 쌍성 대칭이 지배적인가? 두 메커니즘 간의 경쟁은 무엇에 의해 결정되는가?

주요 결과

• 구멍 도핑 영역에서 반도체 특이점 근처에서는 국소 상호작용에서 기인한 스핀 변동이 층 선택적 페리자성 질서를 유도하며, 간섭-밸리 산란을 통해 f-파 스핀 트리플렛, 밸리 싱글렛 초전도성을 강화한다.
• 장거리 쿠론 상호작용에서 기인한 전하 변동은 동일한 반도체 특이점 근처에서 이重도가 두 배인 p-파 초전도성을 유도한다.
• 도핑된 띠 가장자리에서는 스핀 및 전하 변동이 동시에 존재하여 f-파 초전도성을 유도하며, 이는 쌍성 메커니즘 간의 강한 경쟁을 시사한다.
• 스크리닝 길이 d가 200a₀에서 50a₀로 변화하더라도 초전도성 결합 상수 λ_SC 는 강건하게 유지되며, 장거리 尾 스크리닝이 불안정성을 억제하지 않는다는 것을 시사한다.
• 온도 의존성 분석 결과, λ_SC 는 낮은 온도에서 증가하며, 특히 d-RPA 채널에서 두드러진다. 또한 고 U 조건(예: U = 4.5 eV)에서 스톤러 기준에 가까워질수록 f-파 채널은 억제된다.
• xd-RPA 접근법은 스핀 및 전하 변동 기여가 모두 완전한 기술을 위해 필수적임을 확인하며, 병합된 메커니즘이 도핑된 띠 가장자리에서 주요 f-파 대칭을 유지함을 보여준다.