[論文レビュー] Resonating valence bonds and mean-field d-wave superconductivity in graphite

Annica M. Black‐Schaffer, Doniach, Sebastian|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|Dec 6, 2006

Graphite, nuclear technology, radiation studies被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、グラファイト内の電子相関効果が、結合に依存する秩序パラメータを用いた平均場理論を用いて、共鳴価数結合（RVB）メカニズムにより d 波超伝導を誘発する可能性を提案している。有限ドーピング下で d 波超伝導が s 波よりも高い臨界温度で出現し、グラファイト-硫黄界面における硫黄ドーピングがこの転移を駆動することが判明した。本研究の結果は、インターカレーショングラファイトや平均場理論の限界についての知見を提供する。

ABSTRACT

We investigate the possibility of inducing superconductivity in a graphite layer by electronic correlation effects. We use a phenomenological microscopic Hamiltonian which includes nearest neighbor hopping and an interaction term which explicitly favors nearest neighbor spin-singlets through the well-known resonance valence bond (RVB) character of planar organic molecules. Treating this Hamiltonian in mean-field theory, allowing for bond-dependent variation of the RVB order parameter, we show that both s- and d-wave superconducting states are possible. The d-wave solution belongs to a two-dimensional representation and breaks time reversal symmetry. At zero doping there exists a quantum critical point at the dimensionless coupling J/t = 1.91 and the s- and d-wave solutions are degenerate for low temperatures. At finite doping the d-wave solution has a significantly higher Tc than the s-wave solution. By using density functional theory we show that the doping induced from sulfur absorption on a graphite layer is enough to cause an electronically driven d-wave superconductivity at graphite-sulfur interfaces. We also discuss applying our results to the case of the intercalated graphites as well as the validity of a mean-field approach.

研究の動機と目的

• グラファイト層内の電子相関が共鳴価数結合（RVB）メカニズムによって超伝導を誘発できるかどうかを調査すること。
• 結合に依存する秩序パラメータを用いた平均場理論において、s 波および d 波超伝導状態の安定性と性質を特定すること。
• 特にグラファイト-硫黄界面における硫黄吸着が d 波超伝導を可能にする役割を評価すること。
• 特にインターカレーショングラファイト（GICs）を含む、高ドーピング状態のグラファイト系における Tc の予測の妥当性を、平均場理論の有効性を評価すること。
• d 波状態における時間反転対称性の破れの可能性と、磁性および超伝導秩序が共存する場合の意味を検討すること。

提案手法

• 最近接原子間 hopping とスピン singlet 状態を好む RVB 相互作用を含む、現象的で微視的なハミルトニアンを定式化する。
• 空間的に変化する RVB 秩序パラメータを用いた平均場理論を適用し、d 波対称性と結合依存性ペアリングを可能にする。
• ドーピングおよび結合強度 J/t の関数として位相図を決定するために、平均場方程式を数値的に解く。
• 電子が硫黄からグラファイトに移動する割合を計算するために密度汎関数理論（DFT）を用い、界面におけるドーピングレベルを推定する。
• BCS-BEC遷移領域の評価のため、パラメータ kFξ を用いて平均場理論による Tc 評価の信頼性を検証する。
• 2次元性および界面結合の影響が超伝導転移に与える影響を検討し、薄膜におけるKT型転移を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1枚のグラファイト層内での電子相関効果が、共鳴価数結合（RVB）メカニズムによって d 波超伝導を誘発できるか？
• RQ2 このモデルにおいて、s 波よりも d 波超伝導を安定化させるために必要な臨界ドーピングレベルは何か？
• RQ3 グラファイト-硫黄界面における硫黄ドーピングが、超伝導を誘発するのに十分なホールドーピングを引き起こす程度はどの程度か？
• RQ4 特に BCS-BEC遷移領域に近い状態において、平均場理論が高ドーピンググラファイト系の Tc を予測するのにどの程度信頼できるか？
• RQ5 d 波状態は時間反転対称性を破るのか？また、磁性および超伝導秩序が共存する場合にどのような意味を持つのか？

主な発見

• ドーピングなしのグラファイトでは、J/t = 1.91 で量子臨界点が存在し、低温において s 波と d 波の解が degenerate になる。
• 有限ドーピング下では、d 波超伝導状態の Tc が s 波状態よりも顕著に高く、d 波ペアリングが好まれる。
• DFT 計算により、硫黄吸着がグラファイト-硫黄界面で十分なホールドーピングを引き起こし、実験的 Tc ~35 K と整合的であることが示された。
• C2S 系の推定された kFξ ≈ 300 は BCS 側に位置するが、より高いドーピングを持つ GICs は BEC 側に近づくため、平均場理論による Tc 評価の信頼性に疑問が呈される。
• d 波状態は時間反転対称性を破り、強磁性および超伝導秩序が共存する可能性を生じる。
• 特に有限なペアサイズを有する d 波ペアリングにおいて、BCS-BEC遷移に近い高ドーピング系（GICs など）では、平均場理論が Tc を低く見積もる可能性がある。