[论文解读] A numerical calculation of the electronic specific heat for the compound Sr$_2$RuO$_4$ below its superconducting transition temperature

Pedro Contreras, José Luis Burgos+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2018

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 2被引用 7

一句话总结

本研究采用双能隙模型对非传统多带超导体Sr₂RuO₄在Tc以下的电子比热进行了数值计算：一种是α/β与γ电子带上的间隙大小不同且具有点节点的模型，另一种是线节点模型。点节点模型与实验数据高度吻合，尤其准确再现了Tc处的比热跃迁，ΔC/Cn ≈ 0.73，证实Sr₂RuO₄为具有点节点的超导体，且多带效应在热力学建模中至关重要。

ABSTRACT

In this work, a numerical study of the superconducting specific heat of the unconventional multiband superconductor Strontium Ruthenate is performed. Two band gaps models are employed, and the results rendered for each of them are compared. One of the models, previously proposed by one of the authors to explain the experimental temperature behavior of the ultrasound attenuation, considers two gaps with point nodes of different magnitude on different gap surface sheets, while the other one is an isotropic and line node model, reported in the literature for describing quantitatively experimental specific heat data. The superconducting density of states DOS is computed by employing these two models and then, a detailed numerical study of the electronic specific heat, that includes the contribution from the different Fermi sheets, is carried out. It is found that the calculated point node model specific heat temperature behavior shows an excellent agreement with the existent Sr$_2$RuO$_4$ experimental data at zero field, particularly, it is obtained that the observed specific heat jump at T$_c$ is precisely reproduced. Also, it is found that the sum of the contributions from the different bands fits quantitatively the measured specific heat data. The results in this work evidence that the Sr$_2$RuO$_4$ superconducting states are of unconventional nature, corresponding to those of a point node superconductor, and show the importance of taking into account the multiband nature of the material when calculating thermodynamic superconducting quantities.

研究动机与目标

• 使用多带超导能隙模型研究Sr₂RuO₄在Tc以下的电子比热。
• 确定点节点或线节点结构中哪种更符合实验测得的比热数据。
• 评估多带效应在准确建模非传统超导体热力学性质中的作用。
• 通过比热测量验证基于超声波衰减实验提出的点节点模型。

提出的方法

• 采用多带形式计算超导态密度（DOS），并考虑α、β和γ费米面的各向异性能隙结构。
• 利用广义表达式（公式8）计算电子比热C_s(T)，该式考虑了各能带的DOS和能隙各向异性。
• 点节点模型假设α/β电子带具有不同大小的间隙及点节点，γ电子带具有不同间隙，依据对称性及超声波数据。
• 线节点模型假设水平方向的线节点，与先前文献中对比热数据的拟合结果一致。
• 输入参数包括从热导率数据拟合得到的零温能隙值Δ₀^γ和Δ^α/β。
• 将数值结果与Nishizaki等人（2001年）的实验C_s(T)/T数据进行比较，重点关注低温行为及Tc处的跃迁。

实验结果

研究问题

• RQ1 与线节点模型相比，点节点能隙模型是否能更准确地匹配Sr₂RuO₄的实验电子比热数据？
• RQ2 能否使用基于实验参数的多带点节点模型，定量再现Tc处的比热跃迁？
• RQ3 各费米面（α、β、γ）的贡献在多大程度上影响整体比热行为？
• RQ4 γ电子带的节点结构是否与超声波实验所提示的点节点一致，而非无节点？
• RQ5 Sr₂RuO₄的多带特性在定量建模其热力学性质方面产生何种影响？

主要发现

• 点节点模型在Tc处重现了实验比热跃迁，ΔC/Cn ≈ 0.73，与Nishizaki等人报告的实测值0.70高度一致。
• 线节点模型得到的跃迁更大（ΔC/Cn ≈ 0.82），表明与实验数据拟合较差，尤其在Tc附近。
• 点节点模型在整个温度范围内与实验C_s(T)/T数据高度一致，尤其在低温区域表现优异。
• 在低温下，由于各向异性能隙结构，α和β电子带主导比热，而γ电子带在较高温度下成为主导。
• 三个能带贡献之和定量拟合了实测比热，证实多带建模的必要性。
• 结果支持Sr₂RuO₄为非传统点节点超导态，与超声波实验提示γ电子带存在节点的结论一致。