[논문 리뷰] Superconductivity Emerging from Excitonic Mott insulator - Theory of Alkaline Doped Fullerene

Takahiro Misawa, Masatoshi Imada|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 28.

Fullerene Chemistry and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 변동 미리몬트카를로(mVMC)를 사용하여 알칼리 도핑된 풀러라이드에서 비등방성 s-파형 초전도성의 기원을 밝혀내며, 이는 전자 도핑에 의해 초전도성 상태로 전환되는 진동자 Mott 절연체에서 유래된다고 한다. 삼오비탈 구조는 전하 변동을 가능하게 하여 절연 상태를 해체한다. 주요 결과는 초전도상이 진동자 절연체의 해체에 의해 안정화된다는 것으로, 이는 역행 훈드 상수 결합을 가진 다오비탈 체계에서 고임계온 초전도성으로 가는 새로운 길을 제시한다.

ABSTRACT

A three-orbital model derived from the two-dimensional projection of the $ab$ $initio$ Hamiltonian for alkaline doped fullerene A$_3$C$_{60}$ with A=Cs,Rb,K is studied by a variational Monte Carlo method. We correctly reproduce the experimental isotropic s-wave superconductivity around the $ab$ $initio$ parameters. With narrowing the bandwidth, the transition to an insulator is also reproduced, where orbital symmetry is found to be spontaneously broken with emergence of an excitonic Mott insulator for two orbitals and an antiferromagnetic insulator nearly degenerate with a spin liquid for the third orbital. The superconductivity is a consequence of exciton melting.

연구 동기 및 목표

• 반도체 A3C60에서 반완전 충전 상태에서 전통적인 도핑 없이 발생하는 등방성 s-파형 초전도성의 기원을 이해하는 것.
• 모델링된 다오비탈 물리학과 전자 상관관계가 Mott 절연상 근처에서 초전도성을 안정화시키는 데 미치는 영향을 조사하는 것.
• 이 체계에서 진동자 Mott 절연체가 초전도성의 부모 상태인지 확인하는 것.
• 오비탈 디게너시와 비등방성 터널링이 초전도성의 발생에 미치는 영향을 탐색하는 것.
• 전자 도핑에 의해 진동자 절연체가 해체되는 조건에서 초전도성이 어떻게 발생하는지 명확히 하는 것.

제안 방법

• fcc A3C60의 아비니티 해밀토니안에서 유도된 삼오비탈 모델을 이중 평면 격자로 투영하여 수치적 처리를 단순화한다.
• 공간적 및 양자적 변동을 평균장 근사 이외에 포함하기 위해 변동 미리몬트카를로(mVMC) 방법을 사용한다.
• 오비탈에 따라 달라지는 터널링 적분과 강한 국소 전하 반발력(U, U')을 포함하며, 음의 훈드 상수(J = -0.5)를 설정하여 역행 훈드 법칙 결합(IHRC)을 시뮬레이션한다.
• 초전도성 안정화의 핵심 물리적 메커니즘을 분리하기 위해 단순화된 이오비탈 및 삼오비탈 사슬 모델을 분석한다.
• s-파형 쌍화 연산자 P1s,ν(r)를 사용하여 초전도성 쌍화 상관관계를 평가하고, 도핑 및 상호작용 매개변수에 따라 전하 갭 진폭을 모니터링한다.
• U', J, 화학적 포텐셜 μ를 변화시켜 단계도를 그려내며 초전도상, 절연상, Mott 상 간의 전이를 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 A3C60에서의 등방성 s-파형 초전도성은 전자 도핑에 의해 진동자 Mott 절연체가 해체되면서 기인하는가?
• RQ2 세 오비탈이 존재하고, 그 중 하나가 비쌍극화 상태를 유지할 경우, 이는 이오비탈 모델에 비해 초전도성의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 역행 훈드 법칙 결합(IHRC)은 전통적인 전자 도핑 없이도 초전도성을 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 왜 A3C60에서는 코프레이트나 철 기반 초전도체와 달리 반완전 충전 상태에서 초전도성이 안정화되는가?
• RQ5 삼오비탈 구조는 강한 상호작용 영역에서 자성 순서를 억제하고 스핀 액체 유사 상태를 촉진할 수 있는가?

주요 결과

• 변동 미리몬트카를로 방법은 아비니티 파arameters를 사용하여 실험적으로 관측된 A3C60의 등방성 s-파형 초전도성을 성공적으로 재현하였다.
• 강한 상호작용 영역에서 시스템은 자발적인 오비탈 대칭 붕괴를 보이는 진동자 Mott 절연체로 전이되며, 세 번째 오비탈은 거의 디게너레이션된 반자성 Mott 절연체 또는 스핀 액체 상태를 형성한다.
• 진동자 Mott 절연체에 전자 도핑이 이루어지면 절연 상태의 질서가 해체되고 즉각적으로 초전도성이 유도되며, 코페어 쌍은 도핑 상태에서 응집된다.
• 삼오비탈 구조는 전하 변동을 증가시켜 진동자 절연체를 불안정하게 하고, 이는 이오비탈 모델과 달리 반완전 충전 상태에서도 초전도성을 유리하게 만든다.
• 초전도상은 진동자 절연체의 해체에 의해 안정화되며, 삼오비탈 체계는 전하 변동에 의해 유도되는 절연체-초전도체 전이 경로를 통해 고임계온 초전도성으로 가는 길을 열어준다.
• 강한 상호작용 영역에서 스핀 질서가 없는 진정한 Mott 절연체는 저에너지 Excited 상태로 확인되었으며, 이는 삼오비탈 체계에서 양자 스핀 액체 상태의 잠재적 존재를 시사한다.