[논문 리뷰] Stabilizing fluctuating spin-triplet superconductivity in graphene via induced spin-orbit coupling

Jonathan B. Curtis, Nicholas R. Poniatowski외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 21.

Graphene research and applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이중층 그래핀에서 유도된 이징 스핀-오비트 결합이 스핀 삼중항 초전도 상태의 저에너지 변동을 억제함으로써 스핀-회전 대칭성을 깨고, 이로 인해 임계 온도가 상당히 높아진 초전도성을 안정화시킨다고 제안한다. 이 메커니즘은 WSe₂를 증착시킨 이중층 그래핀에서 관측된 최근의 증가된, 자장을 제거한 상태의 스핀 삼중항 초전도 현상을 설명하며, 이론적 예측은 관측된 Tc 증가와 일치하고, 4e 전하 초전도 상과의 공존 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

A recent experiment showed that proximity induced Ising spin-orbit coupling enhances the spin-triplet superconductivity in Bernal bilayer graphene. Here, we show that, due to the nearly perfect spin rotation symmetry of graphene, the fluctuations of the spin orientation of the triplet order parameter suppress the superconducting transition to nearly zero temperature. Our analysis shows that both Ising spin-orbit coupling and in-plane magnetic field can eliminate these low-lying fluctuations and can greatly enhance the transition temperature, consistent with the recent experiment. Our model also suggests the possible existence of a phase at small anisotropy and magnetic field which exhibits quasi-long-range ordered spin-singlet charge 4e superconductivity, even while the triplet 2e superconducting order only exhibits short-ranged correlations. Finally, we discuss relevant experimental signatures.

연구 동기 및 목표

• WSe₂ 근접층에 의해 유도된 이징 스핀-오비트 결합이 있는 이중층 그래핀에서 스핀 삼중항 초전도성이 실험적으로 안정화되는 이유를 설명하는 것.
• 스핀-삼중항 질서 파라미터의 변동이 근접한 완벽한 스핀-회전 대칭성으로 인해 골드스톤 모드에 의해 억제되는 이론적 과제를 다루는 것.
• 이징 스핀-오비트 결합과 평면 내 자기장이 이러한 변동을 억제하여 초전도 전이 온도를 높이는 방식을 보여주는 것.
• 약한 비등방성과 자기장 조건 하에서 스핀-singlet 4e 초전도상이 2e 삼중항 쌍정렬과 함께 공존할 수 있는지 탐색하는 것.
• 제안된 메커니즘의 실험적으로 검증 가능한 서명, 즉 스핀 순화도의 비정상성과 임계 행동을 제공하는 것.

제안 방법

• 스핀-삼중항 초전도성을 기술하기 위해 대칭 기반의 효과적 장 이론을 개발하였으며, 기저가 Ginzburg-Landau 형식으로 되어 있다.
• 유도된 이징 스핀-오비트 결합을 스핀-밸리 공간에서의 제이만-유사 필드로 모델링하여 삼중항 질서 파라미터의 d-벡터가 z축을 향하도록 고정한다.
• BCS 이론을 사용하여 무차원 고정 에너지 Γ⊥를 계산하였으며, λ 증가에 따라 2개 이상의 주기 증가를 보임을 확인하였다.
• 스핀 순화도 χ∥를 분석하였으며, 스핀-오비트 결합이 없는 경우 부드러운 변동으로 인해 발산하지만, 유한한 Γ⊥에 의해 억제됨을 보였다.
• 역압축성 측정 데이터를 활용하여 밀도 상태(~7 meV⁻¹Å⁻²)와 패피 에너지(~0.6 meV)를 정량적으로 파arameter화하였다.
• 2e 삼중항과 4e 스핀-싱เก트 쌍정렬 채널 간의 경쟁을 고려하였으며, 짧은 거리의 2e 상관관계가 존재하더라도 4e 채널에서 준장거리 질서가 존재할 가능성을 제안하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유도된 이징 스핀-오비트 결합은 이중층 그래핀에서 변동하는 스핀 삼중항 초전도성을 어떻게 안정화하는가?
• RQ2 WSe₂를 첨가함에 따라 자장을 제거한 상태에서도 초전도 전이 온도가 어떻게 급격히 증가하는가?
• RQ3 스핀-회전 대칭성의 붕괴는 삼중항 질서 파라미터의 골드스톤 모드 변동을 억제하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 약한 비등방성과 자기장 조건 하에서 2e 삼중항 쌍정렬과 함께 4e 전하 초전도상이 준장거리 질서를 가진 채 공존할 수 있는가?
• RQ5 스핀 순화도의 비정상성이나 임계 행동과 같은 실험적으로 관측 가능한 서명은 무엇인가?

주요 결과

• 유도된 이징 스핀-오비트 결합은 d-벡터를 z축 방향으로 고정시킴으로써 스핀 삼중항 질서 파라미터의 저에너지 변동을 억제하여 초전도성을 안정화시킨다.
• BCS 계산에 의해 확인된 바, 유도된 스핀-오비트 결합 강도 λ 증가에 따라 무차원 고정 에너지 Γ⊥이 2개 이상의 주기 증가한다.
• 스핀-오비트 결합이 없는 경우 부드러운 변동으로 인해 스핀 순화도 χ∥가 발산하지만, 유한한 Γ⊥에 의해 억제되어 평균장 유사 행동이 복원된다.
• 이징 스핀-오비트 결합과 평면 내 자기장이 모두 임계 온도를 상당히 향상시키며, 실험 관측과 일치하는 바, Tc가 약 10배 증가함을 보여준다.
• 약한 비등방성과 자기장 조건 하에서 2e 삼중항 쌍정렬과 함께 4e 전하 초전도상에서 준장거리 질서가 존재할 수 있으며, 이는 새로운 경쟁 채널을 시사한다.
• 모델은 T*에서 비정상적인, 명백한 상승하는 스핀 순화도를 예측하며, 이는 변동하는 삼중항 질서의 실험적 서명이 될 수 있다.