[논문 리뷰] Spin-singlet and spin-triplet pairing correlations in antiferromagnetically coupled Kondo systems

Haoyu Hu, Ang Cai외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 27.

Rare-earth and actinide compounds참고 문헌 40인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 클러스터 보즈-fermi 앤더슨 모형에서 비섭동적 연속시간 양자 몽테카를로(CT-QMC) 시뮬레이션을 사용하여 반자성적으로 결합된 코닉 시스템에서 스핀-싱เก릿 및 스핀-트리플렛 쌍성 상관관계를 조사한다. 스핀-싱게릿 쌍성은 SU(2) 대칭 시스템에서 강하게 증폭되며, 현실적인 이징 이방성은 스핀-트리플렛(S^z=0) 쌍성을 경쟁적으로 만들며, YbRh2Si2에서 관측된 자기장 유도 스핀-트리플렛 초전도 상태에 대한 미세구조적 설명을 제공한다.

ABSTRACT

Recent experiments in quantum critical heavy fermion metals have pushed to the fore the question about whether antiferromagnetic fluctuations can promote both spin-singlet and spin-triplet superconductivity. Here we address the issue through non-perturbative calculations in antiferromagnetically correlated Kondo systems. We identify Kondo-destruction quantum critical points in both the SU(2) symmetric and Ising-anisotropic cluster Bose-Fermi Anderson models. The spin-singlet pairing correlations are significantly enhanced near the quantum critical point in the SU(2) case; however, with adequate but still realistic degree of Ising anisotropy, the spin-triplet pairing correlations are competitive. Our results demonstrate that spin-flip processes strengthen the spin-singlet pairing at the Kondo-destruction quantum critical points, and point towards a way for antiferromagnetic correlations to drive spin-triplet pairing. Further implications of our findings in the broader context of strongly correlated superconductivity are discussed.

연구 동기 및 목표

• 반자성 플럭츄에이션은 양자 임계점에 놓인 코닉 시스템에서 동시에 스핀-싱게릿 및 스핀-트리플렛 초전도를 촉진할 수 있는가를 이해하는 것.
• 코닉-파괴 양자임계점 근처에서 스핀 이방성이 스핀-싱게릿 대비 스핀-트리플렛 쌍성의 지배성을 어떻게 결정하는지 조사하는 것.
• 최근 관측된 YbRh2Si2의 자기장 유도 스핀-트리플렛 초전도 상에 대한 미세구조적 설명을 제공하는 것.
• 클러스터 BFAM에 스핀 전이 과정과 유한한 이징 이방성을 포함하여 초-랜다우 양자임계점 모델을 넘어서는 것.
• 강한 상관관계를 가진 코닉 시스템에서 스핀-트리플렛 쌍성이 경쟁적이거나 지배적인 조건을 규명하는 것.

제안 방법

• 혼합, 횡방향 교환, 보존적 결합에 대한 삼중 전개를 포함한 비섭동적 연속시간 양자 몽테카를로(CT-QMC) 시뮬레이션.
• RKKY 상호작용과 동적 자기장 플럭츄에이션을 갖는 반자성 코닉 시스템을 모델링하기 위해 클러스터 보즈-fermi 앤더슨 모형(BFAM)의 사용.
• 다중 이입자 시스템에서 확장된 양자임계 영역에 접근하기 위해 다중 이입자 시스템에 적합한 SU(2) 대칭 CT-QMC 방법의 구현.
• 스핀-싱게릿 및 스핀-트리플렛 채널(S^z = 0, ±1)에서의 쌍성 감도 분석을 통해 지배적인 쌍성 채널을 규명하는 것.
• 이징 이방성(Jp/Jz)과 결합 강도(λ)를 체계적으로 변화시켜 SU(2)와 이징 극한 사이의 전이를 탐색하는 것.
• 클러스터 BFAM 프레임워크 내에서 스핀 및 쌍성 감도의 발산을 통해 코닉-파괴 양자임계점의 식별.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코닉 시스템에서 반자성 플럭츄에이션은 동시에 스핀-싱게릿 및 스핀-트리플렛 초전도를 촉진할 수 있는가?
• RQ2 코닉-파괴 양자임계점 근처에서 스핀 이방성은 스핀-싱게릿 대비 스핀-트리플렛 쌍성의 상대 강도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 스핀 전이 과정은 양자임계점 코닉 시스템에서 스핀-싱게릿 쌍성 상관관계를 강화하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 YbRh2Si2에서 관측된 자기장 유도 스핀-트리플렛 초전도는 코닉-파괴 프레임워크 내에서 반자성 양자임계점에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ5 이방성 코닉 시스템에서 S^z=0 스핀-트리플렛 채널이 스핀-싱게릿 채널과 경쟁적으로 되는 조건은 무엇인가?

주요 결과

• SU(2) 대칭 클러스터 BFAM에서, 코닉-파괴 양자임계점(QCP) 근처에서 스핀-싱게릿 쌍성 상관관계가 크게 증폭되며, λc ≈ 0.2에서 쌍성 감도 χ^(s,0)의 피크가 관측된다.
• Jp/Jz = 0.2인 이징 이방성 모형에서, S^z=0 채널의 스핀-트리플렛 쌍성 감도 χ^(t,0)도 QCP 근처에서 유사하게 증폭되며, λc ≈ 0.45로 나타나 쌍성이 경쟁적으로 된다.
• 횡방향 RKKY 상호작용에 의해 매개되는 스핀 전이 과정은 스핀-싱게릿 쌍성을 강화하며, 이는 SU(2) 대칭 극한에서 싱게릿 쌍성이 지배적인 이유를 설명한다.
• 실제 이징 이방성 조건 하에서 S^z=0 스핀-트리플렛 채널은 스핀-싱게릿 쌍성과 경쟁적으로 되며, 양자임계점 코닉 시스템에서 트리플렛 쌍성의 메커니즘을 제시한다.
• 결과는 자기장이 YbRh2Si2에서 스핀-트리플렛 초전도 상을 유도하는 데 자연스럽게 설명되며, 적용된 자기장은 이징 이방성을 강화하고 S^z=0 트리플렛 채널을 안정화시킨다.
• 이러한 발견은 반자성 플럭츄에이션을 통해 코닉-파괴 양자임계점이 스핀-트리플렛 쌍성을 유도할 수 있으며, 강한 상관관계 금속에서 비정상 초전도의 범위를 확장하는 데 기여한다.