[논문 리뷰] Topological Superconductivity in Sn/Si(111) driven by non-local Coulomb interactions

Mehdi Biderang, Mohammad-Hossein Zare외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 15.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 40인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 삼각격자 위의 확장된 허버드 모형에서 전자 상관성을 분석하기 위해 무작위 위상 근사(RPA)를 사용하여 Sn/Si(111)에서의 위상적 초전도성에 대해 조사한다. 비국소 전하 상호작용이 반완전 충전 근처에서 비틀림 d-파일 초전도성 쌍을 유도하고, 강한 근처 이웃 상호작용 조건에서는 구멍 도핑 영역에서 비틀림 p-파일, 전자 도핑 영역에서 비틀림 f-파일 쌍을 형성함을 발견하였다. 이 과정에서 전하 변동이 쿠퍼 쌍 형성에 핵심적인 역할을 한다.

ABSTRACT

Superconductivity was recently observed in boron-doped ($\sqrt{3} imes\sqrt{3}$)Sn/Si(111). The material can be described by an extended Hubbard model on a triangular lattice. Here, we use the random-phase approximation to investigate the charge and spin fluctuations as well as the superconducting properties of the system with respect to filling and the relative strength of the extended versus the on-site Hubbard interactions. Our calculations reveal that near half-filling and weak extended Hubbard interactions, the superconducting ground state exhibits chiral $d$-wave pairing. Far from half-filling and for stronger nearest-neighbor Coulomb interactions, the system shows chiral $p$-wave (hole-doping) and $f$-wave (electron-doping) pairings. The dependence of the pairing symmetry on the extended Hubbard interactions suggests that charge fluctuations play an important role in the formation of Cooper pairs. Finally, the temperature dependence of the Knight shift is calculated for all observed superconducting textures and put forward as an experimental method to examine the symmetry of the superconducting gap function.

연구 동기 및 목표

• 비국소 전하 상호작용이 Sn/Si(111) 시스템에서 비국소 초전도성의 기여를 이해하기 위해.
• 이 시스템에서 쌍대칭에 관해 이전 이론 연구에서 발생한 모순, 특히 스핀 단일 상태 대 삼중 상태 쌍에 대해 해결하기 위해.
• 도핑 수준과 현위상 대 근처 이웃 허버드 상호작용의 상대 강도가 초전도성 쌍 대칭에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 이론적 쌍 대칭을 실험적으로 측정 가능한 관측량으로 연결하기 위해, 온도 의존 케인트 이완도를 제안하기 위해.

제안 방법

• Sn/Si(111) 시스템을 단일 밴드 타이트버딩 해밀토니안으로 모델링하고, 현위상(U) 및 근처 이웃(V) 허버드 상호작용을 포함한 삼각격자에서 분석한다.
• 무작위 위상 근사(RPA)를 사용하여 순수 및 RPA 보정된 전하 및 스핀 감도를 계산하여 전하 및 스핀 변동을 분석한다.
• RPA를 통해 전하 및 스핀 채널에서 효과적인 상호작용을 계산하여 초전도성 불안정성 채널을 결정한다.
• RPA 보정 상호작용을 사용하여 BCS 갭 방정식을 해결하고 주요 쌍 채널과 대칭을 식별한다.
• 온도 의존 케인트 이완도를 계산하여 이론적 쌍 대칭을 실험적으로 측정 가능한 관측량과 연결한다.
• 밴드 구조 및 밀도 상태(DOS)를 분석하여 반도체 특이점(van Hove 특이점)을 식별하고, 그들이 쌍 형성 강화에 미치는 영향을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비국소 전하 상호작용은 반완전 충전 근처 및 도핑 조건에서 Sn/Si(111) 시스템의 쌍 대칭에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 이 시스템에서 쿠퍼 쌍 형성의 매개체로 스핀 변동 대비 전하 변동의 역할은 무엇인가?
• RQ3 다양한 도핑 수준과 상호작용 강도에서 안정화되는 쌍 채널(d-파일, p-파일, f-파일)은 무엇인가?
• RQ4 케인트 이완도는 이 시스템에서 다양한 초전도성 갭 함수 대칭을 구별하기 위한 신뢰할 수 있는 실험적 탐지 수 Mittel로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 반완전 충전 근처 및 약한 확장 허버드 상호작용 조건에서는 초전도 상태가 비틀림 d-파일 쌍을 나타낸다.
• 반완전 충전에서 벗어난 영역에서는 강한 근처 이웃 전하 반발력이 구멍 도핑 영역에서 비틀림 p-파일 쌍, 전자 도핑 영역에서 비틀림 f-파일 쌍을 유도한다.
• 쌍 대칭은 확장(V) 대 비대칭(U) 허버드 상호작용의 상대 강도에 따라 크게 의존하며, 이는 전하 변동의 핵심적 역할을 시사한다.
• 충전도 ⟨n⟩ ≈ 0.92에서 발생하는 반도체 특이점은 특히 d-파일 및 f-파일 채널에서 초전도 불안정성을 강화한다.
• 계산된 케인트 이완도는 다양한 쌍 대칭에 대해 고유한 온도 의존성을 보이며, 이를 통해 서로 다른 대칭을 명확히 식별할 수 있는 실험적 서명을 제공한다.
• 결과적으로, 비국소 전하 상호작용이 이 시스템에서 비틀림 초전도 상태를 안정화시키는 데 필수적임을 보여주어 이전 문헌의 모순을 해결한다.