[论文解读] Degeneracy between even- and odd-parity superconductivity in the quasi-1D Hubbard model and implications for Sr2RuO4

Thomas Scaffidi|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2020

Advanced Condensed Matter Physics被引用 8

一句话总结

该论文提出，在排斥 Hubbard 模型的准一维极限下，s 偶-parity 与奇-parity 超导态之间可能出现意外简并，从而导致 Sr₂RuO₄ 中出现混合-parity 顺序参数 Δₑ + iΔₒ。该简并导致比热跳跃显著减小，与时间反演对称性破缺的实验观测一致，同时解释了在应变作用下未观测到比热异常的现象。

ABSTRACT

Based on a weak coupling calculation, we show that an accidental degeneracy appears between even- and odd-parity superconductivity in the quasi-1D limit of the repulsive Hubbard model on the square lattice. We propose that this effect could be at play on the quasi-1D orbitals Ru $d_{zx}$ and $d_{zy}$ of Sr2RuO4, leading to a gap of the form $\\Delta_\ ext{even} + i \\Delta_\ ext{odd}$ which could help reconcile several experimental results.

研究动机与目标

• 解决 Sr₂RuO₄ 超导序参量长期存在的谜题：其表现出时间反演对称性破缺，但未观测到比热异常。
• 探讨偶-parity 与奇-parity 超导通道之间是否存在意外简并，以解释在应变作用下未出现第二个比热转变的现象。
• 为 Sr₂RuO₄ 中准一维轨道上的混合-parity 顺序参数 Δₑ + iΔₒ 提供微观机制。
• 证明该机制可导致参数化极小的比热跳跃，与实验数据一致。

提出的方法

• 在准一维极限（t_y ≪ t_x）下，对正方形晶格上的弱耦合排斥 Hubbard 模型进行解析求解。
• 利用微扰论精确推导偶-parity 与奇-parity 通道中的超导能隙函数。
• 证明在整个费米面上，偶-parity 与奇-parity 超导态之间存在意外简并。
• 采用 Ginzburg-Landau 分析研究偶-parity 与奇-parity 顺序参数的稳定组合。
• 计算混合-parity 态 Δₑ + iΔₒ 下的热力学性质——比热与自旋磁化率。
• 将该模型应用于 Sr₂RuO₄ 中的准一维 Ru d_{zx} 与 d_{zy} 轨道，以解释实验异常现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 [1,0,0] 应变下，偶-parity 与奇-parity 超导态之间的意外简并是否能解释 Sr₂RuO₄ 中未观测到比热异常的现象？
• RQ2 当混合-parity 顺序参数 Δₑ + iΔₒ 在费米面上具有相等幅值时，是否会导致参数化极小的比热跳跃？
• RQ3 所提出的机制如何调和时间反演对称性破缺与 NMR 中观测到的自旋磁化率抑制之间的矛盾？
• RQ4 Ru d_{zx} 与 d_{zy} 轨道的准一维特性在稳定此类简并中起什么作用？
• RQ5 在 Sr₂RuO₄ 中未观测到边缘电流的现象是否与混合-parity 超导态一致？

主要发现

• 精确的解析证明表明，在准一维 Hubbard 模型中，偶-parity 与奇-parity 超导态之间存在意外简并，且该简并在整个费米面上均成立。
• 该简并对能带关系的变化具有鲁棒性，并在 t_y/t_x → 0 的极限下依然存在。
• Ginzburg-Landau 分析表明，Δₑ + iΔₒ 是 favored 状态，其偶-parity 与奇-parity 成分的幅值相等。
• 该态导致参数化极小的比热跳跃，从而解释了在应变作用下未出现第二个异常的现象。
• 该模型预测的残余自旋磁化率与近期 NMR 测量结果一致，未排除混合-parity 顺序参数的存在。
• 该机制为调和时间反演对称性破缺、边缘电流缺失以及 Sr₂RuO₄ 中低自旋磁化率提供了微观基础。