[论文解读] Electronic heat transport for a multiband superconducting gap in Sr$_2$RuO$_4$

Pedro Contreras|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2018

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 1被引用 7

一句话总结

本研究提出了一种在Sr₂RuO₄中具有不同节点结构的多带超导能隙模型——γ-费米面存在点节点，β-费米面存在极小能隙节点，基于对称性约束的d波配对参数。该模型与实验电子热导率数据表现出极佳的定量一致性，揭示出κ/T的普遍极限低于实验观测值，凸显了仅通过热输运难以区分节点结构的挑战。

ABSTRACT

This paper gives a detailed numerical study of the superconducting electronic heat transport in the unconventional multiband superconductor Strontium Ruthenate Sr$_2$RuO$_4$. The study demostrates that a model with different nodal structures on different sheets of the Fermi surface is able to describe quantitatively experimental heat transport data. The contribution of the density of states DOS is given for each sheet of the Fermi surface and the total contribution is also calculated. Finally, a discussion of the universal character of the electronic heat transport in unconventional superconductors and its relation to the DOS based on the type of nodal structure of the superconducting gap in Sr$_2$RuO$_4$ is given.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于Sr₂RuO₄中不同费米面片上超导能隙节点结构的模糊性问题。
• 检验在γ、β和α费米面片上具有不同节点特征的模型是否能定量再现实验测得的电子热导率(κ(T))数据。
• 评估热输运对节点结构差异的敏感性，特别是与能探测节点各向异性的超声测量进行对比。
• 基于费米面片贡献和低能态密度(DOS)，估算电子热导率的普遍极限。

提出的方法

• 采用Wakamatsu等人(2004)提出的基于对称性的d波配对参数模型，为每个费米面片(γ、β、α)分别设定不同的d矢量分量，使用k依赖的dx(k)和dy(k)表达式。
• 计算每个费米面片的超导能隙结构和节点位置，识别出γ-面片上存在八个对称相关的点节点，β-面片上存在小能隙节点。
• 使用类似BCS的形式推导各面片的态密度(DOS)，引入能量展宽(Γ)以模拟杂质散射，并逼近单位极限。
• 通过广义公式推导电子热导率(κ)在普遍极限下的表达式：κ/T ≈ (π²ħk²B/3)[v²F,β N₀β/Δ₀β + v²F,γ (N₀γ Γγ / Δ²₀γ)]，其中包含费米速度和平均自由程。
• 利用实验测得的费米速度值(vF,β = 95.9 km/s, vF,γ = 59.5 km/s)、能隙幅度和文献中的DOS值进行数值计算，假设Γγ ≈ Δ₀γ。
• 将理论κ/T与实验数据(κ/T ≈ 1.7 W/K²m)进行比较，以评估模型有效性并识别普遍极限中的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有不同费米面片上显著节点结构的多带超导能隙模型，能否定量再现Sr₂RuO₄中测得的电子热导率？
• RQ2 为何电子热导率无法像超声测量那样区分不同费米面片上的节点结构？
• RQ3 在γ-面片上存在点节点、β-面片上存在小能隙节点的双能隙模型下，Sr₂RuO₄中电子热导率的预测普遍极限是多少？
• RQ4 在单位极限散射下，γ和β费米面片对态密度和热导率的贡献有何不同？
• RQ5 理论与实验κ/T值之间的差异是否表明模型存在局限性，或需要引入额外的散射机制？

主要发现

• 在γ-面片上存在点节点、β-面片上存在极小能隙节点的模型，能与实验电子热导率数据κ(T)实现极佳的定量一致。
• 理论估算的κ/T普遍极限约为0.8 W/K²m，显著低于实验观测值1.7 W/K²m。
• γ-面片通过DOS的Γ²/Δ²依赖关系贡献热导率，而β-面片通过Γ/Δ依赖关系贡献，反映了其不同的节点拓扑结构。
• 尽管节点结构显著不同，沿[100]和[110]方向的热导率未表现出显著各向异性，使得仅凭κ(T)数据难以提取节点结构信息。
• 本研究证实，与电子热输运的积分性质相比，超声测量对不同费米面片间节点结构差异更为敏感。
• 结果表明，实验中观测到的高κ/T值可能需要额外的散射机制，或超出当前双能隙模型的更复杂能隙结构。