[논문 리뷰] Unconventional superconductivity mediated solely by isotropic electron-phonon interaction

Fabian Schrodi, Peter M. Oppeneer외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 23.

Iron-based superconductors research참고 문헌 39인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 비틀림이 없는 피에르 표면을 가진 시스템에서 미그날의 근사 이상의 정점 보정을 포함할 경우, 등방성 전자-음향파 상호작용(EPI)만으로도 비보통 초전도성을 유도할 수 있음을 보여준다. 자기구속적이고 전체 밴드폭을 고려한 엘리아샤베르 방정식에 정점 보정을 포함한 연구는 구리산계 초전도체에서 d파동 쌍결합, 철기반 초전도체에서 s± 대칭, CeCoIn5에서 d파동 쌍결합을 발견하였으며, 이는 오랫동안 전자적 메커니즘(예: 스핀 변동)이 비보통 쌍결합을 만들어낼 수 있다는 믿음에 도전한다.

ABSTRACT

Unconventional superconductivity is commonly linked to electronic pairing mechanisms, since it is believed that the conventional electron-phonon interaction (EPI) cannot cause sign-changing superconducting gap symmetries. Here, we show that this common understanding needs to be revised when one considers a more elaborate theory of electron-phonon superconductivity beyond standard approximations. We selfconsistently solve the full-bandwidth, anisotropic Eliashberg equations including vertex corrections beyond Migdal's approximation assuming the usual isotropic EPI for cuprate, Fe-based and heavy-fermion superconductors with nested Fermi surfaces. In case of the high-$T_c$ cuprates we find a $d$-wave order parameter, as well as a nematic state upon increased doping. For Fe-based superconductors, we obtain $s_{\pm}$ gap symmetry, while for heavy-fermion CeCoIn$_5$ we find unconventional $d$-wave pairing. These results provide a proof-of-concept that EPI cannot be excluded as a mediator of unconventional and of high-$T_c$ superconductivity.

연구 동기 및 목표

• 비보통 초전도성을 유도할 수 있는 것은 전자적 메커니즘(예: 스핀 변동)뿐이라는 기존의 관점을 도전하기 위해.
• 비틀림이 없는 전자-음향파 상호작용(EPI)이 비-미그날 효과를 포함할 경우 부호가 바뀌는 초전도 갭 대칭을 유도할 수 있는지 조사하기 위해.
• 피에르 표면의 비틀림과 중간 정도의 비아디아바틱성(α ≈ 0.1–0.3)이 EPI 기반 비보통 쌍결합의 발생에 미치는 역할을 규명하기 위해.
• 전자-음향파 결합이 고임계 및 비보통 초전도체에서 상당한 역할을 할 수 있다는 개념적 증거를 제공하기 위해.

제안 방법

• 자기구속적 수치적 접근을 사용하여, 미그날의 근사 이상의 정점 보정을 포함한 전체 밴드폭과 비등방성 엘리아샤베르 방정식을 해결한다.
• 크로스링크 자기에너지 도형과 정점 함수를 포함하기 위해 나무다-다이슨 형식을 사용하여 전자 자기에너지의 재정의를 수행한다.
• 각 물질 시스템에 대해 고정된 음향파 주파수 Ω와 밴드에 의존하지 않는 등방성 상호작용 강도 g0를 통해 전자-음향파 결합을 모델링한다.
• 실제의 타이트바인딩 모델을 사용하여 세 가지 상징적인 비보통 초전도체인 구리산계 초전도체, 철기반 초전도체, CeCoIn5에 이 방법을 적용한다.
• 자기구속적으로 해결된 엘리아샤베르 방정식에서 초전도 갭 함수 ∆k,m = φk,m / Zk,m 를 계산한다.
• 주파수 및 운동량의 전체 의존성을 유지하면서 다중 밴드 및 비등방성 특성을 그대로 유지한 채 계산을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비틀림이 없는 전자-음향파 상호작용만으로도 부호가 바뀌는 갭 대칭을 가진 비보통 초전도성을 유도할 수 있는가?
• RQ2 미그날의 근사 이상의 정점 보정이 EPI를 통한 비보통 쌍결합을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 피에르 표면의 비틀림과 중간 정도의 비아디아바틱성(α ≈ 0.1–0.3)이 EPI 기반 초전도체에서 비보통 쌍결합의 발생에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 EPI만으로 고임계 구리산계 초전도체와 철기반 초전도체에서 관측된 d파동 및 s± 갭 대칭을 설명할 수 있는가?
• RQ5 음향파가 비록 등방성 결합을 가지더라도, 반발력 전자 상호작용이 필요 없이 노드를 가진 쌍결합을 매개할 수 있는 메커니즘이 존재하는가?

주요 결과

• 고임계 구리산계 초전도체의 경우, 정점 보정을 포함함으로써 노드를 가진 d파동 초전도 갭이 나타나며, 이는 실험 관측과 일치한다.
• doping 농도가 증가함에 따라 d파동 쌍결합 외에도 나트륨 상태가 나타나며, 이는 쌍결합과 대칭성이 깨진 상태 간의 복잡한 상호작용을 시사한다.
• 철기반 초전도체의 경우, 모델은 s± 갭 대칭을 도출하여 이 물질들에서 관측된 부호가 바뀌는 쌍결합과 일치한다.
• 중성자기성 물질인 CeCoIn5의 경우, 어떤 전자적 반발력도 없이도 비보통 d파동 쌍결합을 예측한다.
• 결과적으로, 비아디아바틱 효과로 인해 s파동 채널에서 효과적인 전자-음향파 상호작용이 반발력이 되어 비보통 쌍결합이 가능해진다.
• 이 연구는 피에르 표면의 비틀림과 정점 보정을 함께 고려할 경우, 등방성 EPI가 고임계 초전도성을 매개할 수 있음을 입증하며, 비보통 쌍결합을 유도할 수 있는 것은 스핀 변동 뿐이라는 가정에 도전한다.