[论文解读] CePt3Si: an unconventional superconductor without inversion center

K. V. Samokhin, Eeuwe S. Zijlstra+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2003

Rare-earth and actinide compounds被引用 5

一句话总结

本文研究了具有强自旋轨道耦合的非反演对称重费米子超导体CePt3Si，表明其超导序参量在时间反演和动量反演下为奇宇称。由于缺乏反演对称性，能隙函数中出现线节点，并可在无外磁场下实现非均匀螺旋超导相，与低温下观测到的非传统行为一致。

ABSTRACT

Most superconducting materials have an inversion center in their crystal lattices. One of few exceptions is the recently discovered heavy-fermion superconductor CePt3Si [E. Bauer et al, Phys. Rev. Lett. 92, 027003 (2004)]. In this paper, we analyze the implications of the lack of inversion symmetry for the superconducting pairing. We show that the order parameter is an odd function of momentum, and that there always are lines of zeros in the excitation energy gap for one-component order parameters, which seems to agree with the experimental data. The superconducting phase can be non-uniform, even without external magnetic field, due to the presence of unusual gradient terms in the Ginzburg-Landau free energy. Also, we performed ab initio electronic structure calculations for CePt3Si, which showed that the spin-orbit coupling in this material is strong, and the degeneracy of the bands is lifted everywhere except along some high symmetry lines in the Brillouin zone.

研究动机与目标

• 理解CePt3Si（一种缺乏反演中心的重费米子超导体）的对称性与配对机制。
• 分析反演对称性破缺对超导序参量和能隙结构的影响。
• 研究吉尼兹堡-朗道自由能中一阶梯度项导致的非均匀超导相的可能性。
• 确定强自旋轨道耦合在能带简并性解除及配对对称性影响中的作用。

提出的方法

• 对磁性空间群C4v进行群论分析，以分类可能的超导序参量。
• 通过从头算电子结构计算，确定CePt3Si中的能带色散及自旋轨道耦合效应。
• 采用包含一阶梯度项的唯象吉尼兹堡-朗道方法，研究超导态的空间非均匀性。
• 通过时间反演和动量反演下的序参量对称性分析，确定宇称和节点结构。
• 计算费米面片及其因自旋轨道耦合导致的分裂，特别关注费米能级附近的Ce-4f态。
• 针对C4v的1维表示计算能隙对称性，以预测费米面上线节点的位置。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缺乏反演对称性且存在强自旋轨道耦合的条件下，CePt3Si中超导序参量的对称性是什么？
• RQ2 超导能隙函数中的线节点位于何处，它们与费米面拓扑结构有何关联？
• RQ3 CePt3Si是否可能在无外磁场下出现非均匀（螺旋）超导相？
• RQ4 反演对称性的缺失如何影响吉尼兹堡-朗道自由能及超导态的稳定性？
• RQ5 不同费米面片之间的非对角配对散射与能带分裂在多大程度上影响配对对称性？

主要发现

• CePt3Si中的超导序参量在动量反演（k → -k）下为奇宇称，这是缺乏反演对称性与泡利不相容原理的直接结果。
• 预测超导能隙中的线节点将出现在高对称平面和布里渊区边界，如k_z = 0, ±π/c 和 k_x = 0, ±π/a，与实验观测到的幂律温度依赖性一致。
• 强自旋轨道耦合导致费米面上能带简并性被解除，能隙分裂达50–200 meV，仅在Γ–Z和A–M对称线处消失。
• 由于反演对称性破缺，吉尼兹堡-朗道自由能中包含一阶梯度项，可在零磁场下驱动向非均匀螺旋超导态的相变。
• 比热数据中Tc处的跃变减小及低温下的线性T项，与某些费米面片上存在线节点而其他片上无节点的能隙函数一致。
• 非对角配对散射使所有费米面片（α, β, γ）具有相同的能隙对称性，尽管幅度可能不同，支持尽管存在能带分裂，仍存在统一的配对机制。