[論文レビュー] Even-parity spin-triplet pairing for orbitally degenerate correlated electrons by purely repulsive interactions

M. Zegrodnik, Jörg Bünemann+1 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 35被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、純粋に反発的相互作用によって安定化される、偶パリティスピン三重項s波超伝導が、軌道簡約な相関電子系において強い電子相関とハンズ則交換によって実現可能であることを示している。2バンド Hubbardモデルに統計的に整合したガッツヴィラー近似を適用することで、ハートリー・フォック・BCS理論では不安定であると予測されるが、相関効果を適切に取り入れると安定化されることを明らかにした。特に、半フィルイン近傍では反強磁性と共存する状態が得られる。

ABSTRACT

We demonstrate the stability of a spin-triplet paired s-wave (with an admixture of extended s-wave) state for the case of purely repulsive interactions in a degenerate two-band Hubbard model. We further show that near half-filling the considered kind of superconductivity can coexist with antiferromagnetism. The calculations have been carried out with the use of the so-called statistically consistent Gutzwiller approximation for the case of a square lattice. The absence of a stable paired state when analyzed in the Hartree-Fock-BCS approximation allows us to claim that the electron correlations in conjunction with the Hund's rule exchange play the crucial role in stabilizing the spin-triplet superconducting state. A sizable hybridization of the bands suppresses the paired state.

研究の動機と目的

• 純粋に反発的相互作用を有する軌道簡約で相関のある電子系におけるスピン三重項超伝導の安定性を調査すること。
• 吸引的相互作用や擬似実験的ペアリング機構を必要とせずに、偶パリティ（s波）スピン三重項ペアリングが出現可能かどうかを特定すること。
• 多バンド相関系において、半フィルイン近傍でのスピン三重項超伝導と反強磁性の共存を検討すること。
• 平均場近似を超えた枠組みにおいて、電子相関とハンズ則交換がスピン三重項ペアリングを安定化させる役割を明確にすること。
• ガッツヴィラー近似の結果とハートリー・フォック・BCSアプローチを対比し、後者が相関ペアリングメカニズムを捉えられていないことの問題点を強調すること。

提案手法

• 局所的クーロン反発（U）、軌道間反発（U′）、ハンズ則交換（J）を含む拡張された2バンド Hubbardモデルを用いる。
• 粒子数保存および局所スピン対称性を保つ統計的に整合したガッツヴィラー近似（SGA）を用い、平均場理論を超えた強い電子相関を扱う。
• ペアリングチャネルは、サイト内（s波）およびサイト間（拡張s波）ペアリング演算子を介して分析され、実空間におけるオーダーパラメータΔ(0)およびΔ(1)が定義される。
• 自由エネルギーを自己無撞着に最小化することで、超伝導相および反強磁性相の安定性を決定し、温度をゼロに設定（T→0）。
• ハイブリダイゼーションパラメータβhを変化させ、バンド再正規化および凝縮エネルギーと関連してペアリング安定性に与える影響を評価する。
• 相関効果が純粋な反発的相互作用下でペアリングを可能にする役割を隔離するために、ハートリー・フォック・BCS近似と結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 純粋に反発的相互作用を有する2バンド Hubbardモデルにおいて、偶パリティスピン三重項ペアリングは安定化可能か？
• RQ2 平均場アプローチが失敗する状況下で、電子相関とハンズ則交換がスピン三重項超伝導を可能にする役割は何か？
• RQ3 半フィルイン近傍における反強磁性秩序の存在が、スピン三重項超伝導相の安定性に与える影響は何か？
• RQ4 バンド間ハイブリダイゼーションがスピン三重項ペアード状態の安定性に与える影響は何か？
• RQ5 なぜハートリー・フォック・BCSアプローチは、ガッツヴィラー近似で観測された超伝導状態を予測できないのか？

主な発見

• ハートリー・フォック・BCS理論の予測とは対照的に、純粋に反発的相互作用（U′−J>0）下でも、偶パリティ（s波に拡張s波成分が混合した）スピン三重項ペアリング状態は安定化される。
• サイト内ペアリング（超伝導相A）は、すべてのJeff=U′−Jの値において正規状態よりも自由エネルギーが低く、Jeff=−0.1におけるギャップΔ(0)=0.02325を示す。
• サイト間ペアリング成分Δ(1)は小さい（例：J_eff=−0.1における0.00191）が、Δ(0)と共存しており、両者とも同じ臨界パラメータ値で消失する。
• 顕著なハイブリダイゼーションパラメータβh>0.0379は、超伝導ギャップを完全に抑制するため、ペアリングは弱いハイブリダイゼーション系でのみ安定化される。
• 半フィルイン近傍では超伝導と反強磁性の共存相が安定しており、鉄ヒスチジン系の物理的性質と整合的である。
• バンド再正規化係数QはJの増加に伴い減少し、J_eff=0.15で0.71454に達する。これは準粒子重みに強い相関効果が及ぶことを示唆している。