[論文レビュー] Inter-valley coherent order and isospin fluctuation mediated superconductivity in rhombohedral trilayer graphene

Shubhayu Chatterjee, Taige Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2021

Graphene research and applications被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ラホモルホーラル・トリレイヤー・グラフェン（RTG）における非単一的超伝導を媒介するものとして、インターバレー整合的（IVC）秩序とアイソスピン揺らぎを提案する。IVC揺らぎは臨界付近でキラル的かつ完全ギャップを持つ超伝導を駆動する。インターバレー・ハンドの結合は、スピン非偏極状態におけるスピン・シングレット対結合を促進し、実験的SC1と整合的である一方、スピン偏極状態のIVC状態はスピン・トリプレット対結合を促進し、SC2のパウリ限界違反を説明する。

ABSTRACT

Superconductivity was recently discovered in rhombohedral trilayer graphene (RTG) in the absence of a moiré potential. Superconductivity is observed proximate to a metallic state with reduced isospin symmetry, but it remains unknown whether this is a coincidence or a key ingredient for superconductivity. Using a Hartree-Fock analysis and constraints from experiments, we argue that the symmetry breaking is inter-valley coherent (IVC) in nature. We evaluate IVC fluctuations as a possible pairing glue, and find that they lead to chiral unconventional superconductivity when the fluctuations are strong. We further elucidate how the inter-valley Hund's coupling determines the spin-structure of the IVC ground state and breaks the degeneracy between spin-singlet and triplet superconductivity. Remarkably, if the normal state is spin-unpolarized, we find that a ferromagnetic Hund's coupling favors spin-singlet superconductivity, in agreement with experiments. Instead, if the normal state is spin-polarized, then IVC fluctuations lead to spin-triplet pairing.

研究の動機と目的

• ラホモルホーラル・トリレイヤー・グラフェン（RTG）の金属的相におけるアイソスピン対称性の破れの性質を、超伝導相に近接して特定すること。
• モアレ・ポテンシャルが存在しない状況でも、アイソスピン揺らぎがRTGにおける超伝導を媒介できるかどうかを調査すること。
• インターバレー・ハンドの結合が、スピン・シングレットとトリプレット超伝導状態の簡併性をどのように解消するかを明確にすること。
• 理論的予測と、SC1（パウリ限界内）およびSC2（パウリ限界違反）を示す実験的超伝導相の観測結果を調和させること。

提案手法

• SC1に近接する状態で、インターバレー整合的（IVC）状態が基底状態であることを特定するため、自己無撞撃ハートリー・フォック計算を実施。これは、ネットスピンやバルク偏極を示さないU(1)vバルク対称性の破れを伴う。
• 平均場BCSギャップ方程式を用いて、IVC揺らぎを分析し、超伝導不安定性を特定する。
• スピン・シングレットとトリプレット超伝導チャネルの簡併性を破るために、インターバレー・ハンドの結合項を導入する。
• 運動量空間および実空間解析を用いて、キラル的およびノードを持つ超伝導状態を含む、IVC秩序パラメータを特徴付ける。
• スピン対称性およびスピン構造に与える影響を評価するため、異なるハンド結合の符号（強磁性対反強磁性）を検討する。
• 内層および外層散乱項を含め、おそらく小さい大きさを持つ二次的ハンド結合項も検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RTGの金属的相において、超伝導相に近接する状態でアイソスピン対称性がどのように破れるか。
• RQ2 IVC揺らぎのみがRTGにおける非単一的超伝導を媒介できるか。その結果としてのペアリング対称性は何か。
• RQ3 インターバレー・ハンドの結合が、IVC基底状態のスピン構造およびスピン・シングレットとトリプレット超伝導体の簡併性に与える影響は何か。
• RQ4 なぜSC1はパウリ限界を満たしているのに対し、SC2はそれを違反するのか。これは通常状態のスピン偏極とどのように関係するか。
• RQ5 格子スケールのハンド結合が、バルクおよびスピン自由度を有する状況下でペアリングチャネルの選択に果たす役割は何か。

主な発見

• SC1に近接するIVC状態は、インターバレー・ハンドの結合の符号に応じて、時間反転対称性を保つスピン・シングレット電荷密度波（CDW）または反平行スピン密度波（SDW）であり、時間反転対称性およびスピン回転対称性を破る。
• IVC揺らぎは、IVC相関長が短くなるに従い、キラル的完全ギャップ超伝導から非キラル的ノードを持つ超伝導へと遷移する超伝導不安定性を駆動する。
• 強磁性ハンド結合（JH > 0）の下では、IVC基底状態はスピン・シングレット超伝導を好む。これはSC1のパウリ限界内での挙動と整合的である。
• スピン偏極状態では、IVC揺らぎがスピン・トリプレット対結合を引き起こし、SC2のパウリ限界違反挙動を説明する。
• 二次的ハンド結合項（J̃H）はs波ペアリングを好む。スピン偏極状態にある場合、非ユニタリスなスピン・トリプレット超伝導を安定化させる可能性がある。
• インターバレー・ハンドの結合は、スピン・シングレットとトリプレット超伝導体の簡併性を解消し、強磁性結合は非偏極状態におけるスピン・シングレットペアリングを優位にする。