[论文解读] RVB States in doped Band Insulators from Coloumb forces: Theory and a case study of Superconductivity in BiS$_2$ Layers

G. Baskaran|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2016

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 3

一句话总结

该论文提出，掺杂BiS₂基带绝缘体中的超导性源于未屏蔽的库仑排斥力和轨道简并，促使掺杂电子形成电荷为2e的库珀对的维格纳晶体（沿对角线Bi-S-Bi成键），该晶体量子熔化为共振价键（RVB）态。关键结果是在非过渡金属体系中实现类似高Tc的超导性机制，具有dxy对称性及超导态中的能隙，由强的次近邻跃迁和未屏蔽的V ∼ 1 eV稳定。

ABSTRACT

Doped band insulators, HfNCl, WO$_3$, diamond, Bi$_2$Se$_3$, \bis2 families, STO/LAO interface, gate doped SrTiO$_3$ and MoS$_2$ etc. are unusual superconductors. With an aim to build a general theory for superconductivity in doped band insulators we focuss on \bis2 family, discovered by Mizuguchi et al. in 2012. While maximum Tc is only $\sim$ 11 K in \laofx, a number of experimental results are puzzling and anomalous; they resemble high Tc and unconventional superconductors. Using a two orbital model of Usui, Suzuki and Kuroki we show that the uniform low density free fermi sea in \laofh is extit{unstable towards formation of next nearest neighbor Bi-S-Bi diagonal valence bond} (charge -2e Cooper pair) and their extit{Wigner crystallization}. Instability to this novel state of matter is caused by unscreened nearest neighbor coulomb repulsions (V $\sim$ 1 eV) and a hopping pattern with sulfur mediated diagonal next nearest neighbor Bi-S-Bi hopping t' $\sim$ 0.88 eV, larger than nearest neighbor Bi-Bi hopping, t $\sim$ 0.16 eV. Wigner crystal of Cooper pairs quantum melt for doping around x = 0.5 and stabilize certain resonating valence bond states and superconductivity. We study few variational RVB states and suggest that \bis2 family members are latent high Tc superconductors, but challenged by competing orders and fragile nature of manybody states sustained by unscreened Coulomb forces. One of our superconducting state has d$_{xy}$ symmetry and a gap. We also predict 2d extit{Bose metal or vortex liquid} normal state, as charge -2e valence bonds survive in the normal state.

研究动机与目标

• 为掺杂带绝缘体中的超导性（包括BiS₂、HfNCl和STO/LAO界面等体系）建立一个通用的理论框架。
• 解决BiS₂中非传统超导行为的谜题，尽管载流子密度低且Tc仅约11 K，这与传统的电子-声子机制相悖。
• 研究未屏蔽的近邻库仑排斥力（V ∼ 1 eV）和特定的跃迁模式（t′ > t）如何驱动电荷为2e的成键和关联态的形成。
• 探索在低密度体系中，库珀对的维格纳晶体量子熔化如何导致共振价键（RVB）态的出现。
• 识别潜在的超导序参量和竞争相，包括dxy对称性以及二维玻色金属/涡旋液态。

提出的方法

• 采用双轨道模型（USK模型）描述BiS₂层的导带结构和电子关联。
• 构建一个最小哈密顿量，包含近邻库仑排斥力（V ∼ 1 eV）和各向异性的跃迁（对角线次近邻Bi-S-Bi路径的t′ ∼ 0.88 eV，近邻Bi-Bi路径的t ∼ 0.16 eV）。
• 应用精确解法：两体系统使用Hubbard二聚体解，一维排斥Hubbard链使用Lieb-Wu解，以计算变分态能量。
• 分析三种变分态：(I) 电荷为2e的库珀对维格纳晶体，(II) 量子熔化的晶胞键共振（PBR），(III) 掺杂的莫特-Hubbard链。
• 使用微扰估算PBR态的能量，并评估其对竞争序的稳定性。
• 考虑双层BiS₂体系中层间耦合的作用，及其对稳定广义维格纳晶体及其量子熔化可能产生的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在载流子密度低（~10¹⁹ cm⁻³）且Tc仅约11 K的掺杂BiS₂带绝缘体中，尽管电子-声子耦合微弱，超导性如何产生？
• RQ2 未屏蔽的库仑排斥力（V ∼ 1 eV）在低密度体系中如何破坏自由费米海并促进库珀对的形成？
• RQ3 为何BiS₂家族的实验结果与高Tc和非传统超导体相似，尽管缺乏强自旋-轨道耦合或d轨道特征？
• RQ4 是否可通过特定的跃迁模式（t′ > t）和BiS₂平面中的轨道简并来解释对电荷为2e的成键的观测不稳定性？
• RQ5 在此机制中，可能的超导序参量和正常态相（如dxy对称性或二维玻色金属/涡旋液态）是什么？

主要发现

• LaO₀.₅F₀.₅BiS₂中的均匀低密度费米海由于未屏蔽的近邻库仑排斥力（V ∼ 1 eV）和有利的t′ > t跃迁模式而变得不稳定，导致对角线Bi-S-Bi成键的形成。
• 电荷为2e的库珀对维格纳晶体作为基态形成，系统的能量通过强的对角线次近邻跃迁（t′ ∼ 0.88 eV）和抑制的近邻跃迁（t ∼ 0.16 eV）达到最小化。
• 维格纳晶体的量子熔化导致具有dxy对称性和全能隙的共振价键（RVB）态，表明在非过渡金属体系中存在类似高Tc的机制。
• 利用Hubbard二聚体和Lieb-Wu解，精确计算了变分维格纳晶体和掺杂Mott-Hubbard链态的能量，确认了其在模型中的稳定性。
• 提出了第二种变分态——晶胞键共振（PBR），作为具有二维离域化的量子熔化相，尽管其能量仅通过微扰估算。
• 该理论预测存在二维玻色金属或涡旋液态的正常态，其中电荷为2e的成键依然存在，并推测由于能量尺度的竞争，可能出现电子对玻璃或价键玻璃相。