[论文解读] Introduction to superconductivity in metals without inversion center

V. P. Mineev, Manfred Sigrist|ArXiv.org|Apr 20, 2009

Rare-earth and actinide compounds参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文为非中心对称金属中的超导性提供了理论框架，其中反称自旋-轨道耦合导致能带分裂并破坏自旋旋转对称性。推导出的多带吉纳斯堡-朗道泛函表明，磁电效应显著抑制了超导性的顺磁极限，尤其在相干长度较短的重费米子体系中更为明显。

ABSTRACT

This Chapter gives a brief introduction to some basic aspects metals and superconductors in crystal without inversion symmetry. In a first part we analyze some normal state properties which arise through antisymmetric spin-orbit coupling existing in non-centrosymmetric materials and show its influence on the de Haas-van Alphen effect. For the superconducting phase we introduce a multi-band formulation which naturally arises due the spin splitting of the bands by spin-orbit coupling. It will then be shown how the states can be symmetry classified and their relation to the original classification in even-parity spin-singlet and odd-parity spin-triplet pairing states. The general Ginzburg-Landau functional will be derived and applied to the nucleation of superconductivity in a magnetic field. It will be shown that magneto-electric effects can modify the standard paramagnetic limiting behavior drastically.

研究动机与目标

• 理解由于反称自旋-轨道耦合导致的非中心对称金属中正常态电子能带结构。
• 在无反演对称性的前提下，建立由自旋分裂能带引起的多带超导理论。
• 基于对称性原理，对常规自旋单重/三重配对之外的超导态进行分类。
• 推导适用于非中心对称超导体的一般吉纳斯堡-朗道泛函。
• 研究磁电耦合如何改变磁场中超导性的顺磁极限行为。

提出的方法

• 基于含反称自旋-轨道耦合的双带哈密顿量的理论形式，导致具有k依赖性量化轴的自旋分裂能带。
• 使用幺正变换将哈密顿量对角化为能量为ξ±(k) = ξ(k) ± |γ(k)|的能带表示。
• 推导包含自旋-轨道耦合和磁场效应的多带吉纳斯堡-朗道自由能泛函。
• 采用变分法求解吉纳斯堡-朗道方程，包括来自Zeeman耦合和磁电效应的场依赖项。
• 引入顺磁位移M(H)和指数因子I = exp(−2eHZ₀²)以模拟磁场引起的抑制。
• 分析临界温度Tc随磁场的变化，显示通过QxxH²项被抑制，通过Kxy²H²/4K₁项被增强。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非中心对称金属中，反称自旋-轨道耦合如何改变正常态电子能带结构及德哈斯-范阿尔芬效应？
• RQ2 当自旋旋转对称性被破坏时，多带特性在超导配对中起什么作用？
• RQ3 磁电效应如何改变磁场中超导性的标准顺磁极限？
• RQ4 吉纳斯堡-朗道理论能否推广以描述具有反演对称性和自旋旋转对称性破缺的非中心对称体系中的超导性？
• RQ5 为何非中心对称超导体中超导性的顺磁抑制弱于传统体系？

主要发现

• 由反称自旋-轨道耦合诱导的双带结构自然地将超导序参量分解为混合单重-三重态。
• 临界温度Tc通过Tc = T̃c₀(1 − M(H))随磁场降低，其中M(H)包含轨道和磁电贡献。
• 磁电项∝ Kxy²H²/4K₁抵消了顺磁抑制，显著削弱了标准的泡利极限行为。
• 由于自旋-轨道分裂，非中心对称超导体中的顺磁抑制显著减弱，而非源于混合配对对称性。
• 由于双带特性，超导态中的自旋极化率保持接近正常态值，导致自旋极化效应减弱。
• 该模型预测，在相干长度较小的重费米子体系中，磁电效应可增强上临界场，使顺磁极限效应可观测。