[論文レビュー] Superconductivity in CuCl/Si: possible excitonic pairing?

S. H. Rhim, R. Saniz+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 18被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、CuCl/Siスーパーラティスにおける励起子対合作用が超伝導性のメカニズムであるかを調査し、界面における仮想励起子を通じて、フォノンやスピン揺らぎを介さずに電子的相互作用のみで引力的相互作用を生成できることを提唱する。ab initio計算を用いて、n=1およびn=3のそれぞれに対して、6 eVおよび9 eVの周波数で核関数K(ω)に引力的領域を同定し、フォノン媒介対合作用よりも顕著なT_Cの向上を予測している。これは酸化物-半導体ヘテロ構造におけるより高いT_Cの超伝導性への道筋を示唆している。

ABSTRACT

The search for superconductivity with higher transition temperature ($T_C$) has long been a challenge in research efforts ever since its first discovery in 1911. The effort has led to the discovery of various kinds of superconductors and progress in the understanding of this intriguing phenomenon. The increase of $T_C$ has also evolved; however, the dream of realizing room-temperature superconductivity is far from reality. For superconductivity to emerge, the effective quasiparticle interaction should overcome the repulsive Coulomb interaction. This can be realized via lattice or spin degrees of freedom. An alternative pairing mechanism, the excitonic mechanism, was proposed 50 years ago, hoping to achieve higher $T_C$ than by phonon mediation. As none of physics principles has ever prevented excitonic pairing, the excitonic pairing mechanism is revisited here and we show that the effective quasiparticle interaction without lattice and spin can be attractive solely electronically.

研究の動機と目的

• 純粋な電子的励起子対合作用が、CuCl/Siヘテロ構造における超伝導性を媒介できるかどうかを検討すること。
• フォノンやスピン揺らぎのメカニズムに代わって、より高いT_Cを達成するための励起子対合作用の実現可能性を評価すること。
• CuCl/Si界面における観察された金属的性質および電子構造が、クーパー対形成に有利な引力的電子相互作用を支持しているかどうかを特定すること。
• 予測されたT_Cに及ぼすクーロン反発および頂点補正の影響を評価すること。

提案手法

• CuCl/Si界面における電子構造および電荷密度分布を計算するために、ab initio密度汎関数理論（DFT）計算が用いられた。
• 有効電子-電子相互作用を分析するため、核関数K(ω)を計算し、周波数関数としての引力的および反発的領域を同定した。
• 有効相互作用を用いてBCSに類似したギャップ方程式を解き、Coulomb擬似ポテンシャルμ*を組み込んだMcMillanの式を用いてT_Cを推定した。
• 誘電スクリーニングおよび局所場効果の役割を分析し、現実のヘテロ構造における励起子相互作用の妥当性を評価した。
• 標準的なパラメータ（例：Θ_Dおよびλ）を用いて、フォノン媒介超伝導性と比較した。
• 頂点補正および再正規化効果の検討が含まれていたが、計算の簡略化のため、これらは簡略化された形で扱われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 励起子対合作用メカニズムは、CuCl/Siヘテロ構造における超伝導性を支えるのに十分な強い引力的相互作用を生成できるか？
• RQ2 デバイススケールよりもはるかに高いエネルギー領域で、CuCl/Si界面における電子構造が安定した引力的核関数K(ω)を支持しているか？
• RQ3 クーロン反発を考慮した場合、励起子対合作用による予測T_Cは、フォノン媒介対合作用によるものと比べてどのように異なるか？
• RQ4 局所場効果および誘電スクリーニングは、励起子相互作用の安定性および強度にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 CuCl/Si [111]における観察された反磁性は、フォノン媒介超伝導性と整合するか、それとも代替の対合作用メカニズムを要するか？

主な発見

• CuCl/Si界面には明確な金属的性質が見られ、明確なバンド構造、フェルミ面、および電荷密度再分配が確認され、導電性層の形成を支持している。
• ab initio計算により、n=1では約6 eV、n=3では約9 eVの周波数で核関数K(ω)に引力的領域が存在することが判明し、励起子対合作用の可能性が示唆された。
• 引力的相互作用の窓は数eVにわたり、デバイエネルギースケールよりも著しく広がっており、T_Cを向上させる可能性のあるより高い特徴的エネルギースケールΘ_Eを示唆している。
• Θ_Eが大きいためCoulomb擬似ポテンシャルμ*が増加するが、それでもフォノン媒介対合作用よりもT_Cの推定値に顕著な向上が見られ、特にλ > 0.5の場合に顕著である。
• μ* = 0.1または0.2を組み込むとT_Cは低下するが、依然としてこの系ではT_Cが≤2 Kに制限されるフォノン媒介予測値よりも顕著な増加を示している。
• これらの結果は、励起子対合作用が酸化物-半導体ヘテロ構造における高T_C超伝導性の実現に有効なメカニズムである可能性を示唆しており、特にフォノン媒介メカニズムでは実験的観察を説明できない場合に有効である。