[논문 리뷰] Unconventional Superconductivity from Fermi Surface Fluctuations in Strongly Correlated Metals

Haoyu Hu, Ang Cai외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 27.

Surface and Thin Film Phenomena인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 중성자성 금속에서의 비보편 초전도성은 양자临계점에서 코니 효과 파괴에 의해 유도된 피에르 표면 재구성과 관련된 양자역학적 변동에서 기인한다고 제안한다. 동적 평균장 이론과 클러스터 해법 기법을 사용하여, 국소 모멘트에서의 큰 스펙트럼 무게 변동이 강력한 스핀-싱글릿 쌍성형을 이끌어내며, 전이 온도가 코니 스케일의 몇 퍼센트에 이르는 것으로 밝혀졌다. 이는 CeRhIn$_5$와 CeCu$_2$Si$_2$와 같은 물질에서의 고-$T_c$ 초전도성 현상을 설명한다.

ABSTRACT

In quantum materials, electrons that have strong correlations tend to localize, leading to quantum spins as the building blocks for low-energy physics. When strongly correlated electrons coexist with more weakly-correlated conduction electrons, multiple channels of effective interactions develop and compete with each other. The competition creates quantum fluctuations having a large spectral weight, with the associated entropies reaching significant fractions of $R\ln 2$ per electron. Advancing a framework to understand how the fluctuating local moments influence unconventional superconductivity is both pressing and challenging. Here we do so in the exemplary setting of heavy-fermion metals, where the amplified quantum fluctuations manifest in the form of Kondo destruction and large-to-small Fermi-surface fluctuations. These fluctuations lead to unconventional superconductivity whose transition temperature is exceptionally high relative to the effective Fermi temperature, reaching several percent of the Kondo temperature scale. Our results provide a natural understanding of the enigmatic superconductivity in a host of heavy-fermion metals. Moreover, the qualitative physics underlying our findings and their implications for the formation of unconventional superconductivity apply to a variety of highly correlated metals with strong Fermi surface fluctuations.

연구 동기 및 목표

• 지역 모멘트와 도체 전자들이 공존하는 강한 상관관계 금속에서 비보편 초전도성의 메커니즘을 이해하기 위해.
• 비보편 초전도성에 코니 효과와 양자 임계점을 통합한 이론적 프레임워크의 부족을 해결하기 위해.
• 중성자성 초전도체에서 관측된 매우 높은 전이 온도가 그들의 효과적인 피에르 에너지 척도에 비해 왜 높은지 설명하기 위해.
• 코니 효과 파괴 임계점과 강력한 스핀-싱글릿 쌍성형의 발생 간의 연결 고리를 설정하기 위해.
• 이 메커니즘을 피에르 표면 변동이 큰 다른 상관관계 금속, 특히 컵레이트와 모리 시스템에 일반화하기 위해.

제안 방법

• 강한 전자 상관관계를 다루기 위해 동적 평균장 이론(DMFT)과 연속 시간 양자 몽테카를로(CT-QMC) 클러스터 해법을 조합한 방법을 사용하였다.
• 미세구조적 프레임워크로 앤더슨 격자 모델을 사용하였으며, 도체 전자와 $f$-전자 간의 하이브리다이제이션 $V$ 는 강한 온사이트 반발력 $U$ 를 수반하였다.
• 코니 스케일링 상수 $J_K \propto V^2/U$ 와 RKKY 상호작용 $I$ 를 조절하여 코니 스크리닝과 반자성 질서 사이의 양자 임계점을 탐색하였다.
• 쌍성형 불안정성의 식별을 위해 쌍성형 정점에 대한 베티-살파터 방정식을 해결하였으며, 비정상 성분 $\chi_{0,\uparrow\downarrow}^{\nu_n\nu_{n'}^{\prime},kk'}$ 에 초점을 맞추었다.
• 효과적인 하이브리다이제이션 $\Gamma_0^{\text{lat}} = 0.6\Gamma_0$ 를 사용하여 수정된 격자 자기일관 조건을 적용하여 피에르 표면 일관성을 유지하였다.
• 코니 효과 파괴(KD)와 스핀 밀도 파동(SDW$_r$) 양자 임계점 간의 차이를 구분하였으며, 비보편 초전도성에 초점을 맞춰 KD 채널을 중심으로 다루었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코니 효과 파괴에 의해 유도된 피에르 표면 재구성과 관련된 양자역학적 변동이 비보편 초전도성을 어떻게 유도하는가?
• RQ2 지역 모멘트와 그들의 엔트로피 기여는 중성자성 시스템에서 고-$T_c$ 초전도성을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 왜 중성자성 초전도체에서 전이 온도가 코니 온도의 몇 퍼센트에 이르는가? 일반 초전도체와는 어떻게 다를까?
• RQ4 코니 효과 파괴에 의해 유도되는 초전도성 메커니즘은 피에르 표면 변동이 큰 다른 강한 상관관계 금속으로 일반화될 수 있는가?
• RQ5 코니 스크리닝과 RKKY 상호작용 간의 경쟁은 왜 $f$ 전자에 대한 국소화-비국소화 전이를 유도하고 스핀-싱글릿 쌍성형을 촉진하는가?

주요 결과

• 코니 효과 파괴 양자 임계점에서 비보편 초전도성이 강력하게 발생하며, 전이 온도 $T_c$ 가 코니 온도 $T_K$ 의 몇 퍼센트에 이르는 것으로 나타났다.
• CeRhIn$_5$의 초전도 전이 온도는 $T_c \approx 2.3$ K 로 측정되었으며, 이는 그 효과적인 피에르 에너지 척도에 비해 매우 높은 수준임을 시사한다.
• 초전도 응축 과정에서 방출되는 엔트로피는 전자당 $R\ln 2$ 의 상당한 비율을 차지하며, 스핀-$\frac{1}{2}$ 국소 모멘트의 활발한 기여를 나타낸다.
• 이 메커니즘은 다양한 양자 임계점에서 강건하게 유지되며, 특히 큰 피에르 표면에서 작은 피에르 표면으로의 재구성에 의해 쌍성형이 유도되는 코니 효과 파괴 채널에서 두드러진다.
• 이론적 프레임워크는 CeCu$_2$Si$_2$ 및 고 $T_c/T_{\text{eff}}$ 비율을 가지는 다른 중성자성 시스템에서의 난해한 초전도성 현상을 성공적으로 설명한다.
• 결과는 고온 컵레이트, 유기 전하 이동 염화물, 모리 이종접합 등 유사한 피에르 표면 변동이 비보편 쌍성형을 유도할 수 있는 다른 상관관계 시스템으로의 광범위한 적용 가능성을 시사한다.