[论文解读] Even-parity spin-triplet pairing for orbitally degenerate correlated electrons by purely repulsive interactions

M. Zegrodnik, Jörg Bünemann+1 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 35被引用 13

一句话总结

本论文表明，即使在纯粹排斥性相互作用下，通过强电子关联和洪特定则交换，轨道简并的关联电子系统中仍可出现自旋三重态s波且宇称为偶的超导态。基于双带 Hubbard 模型，采用统计一致的古茨维勒近似，研究发现该配对在哈特里-福克-BCS 理论中不稳定，但当正确处理关联效应时，特别是在半满附近与反铁磁性共存时，该配对变得稳定。

ABSTRACT

We demonstrate the stability of a spin-triplet paired s-wave (with an admixture of extended s-wave) state for the case of purely repulsive interactions in a degenerate two-band Hubbard model. We further show that near half-filling the considered kind of superconductivity can coexist with antiferromagnetism. The calculations have been carried out with the use of the so-called statistically consistent Gutzwiller approximation for the case of a square lattice. The absence of a stable paired state when analyzed in the Hartree-Fock-BCS approximation allows us to claim that the electron correlations in conjunction with the Hund's rule exchange play the crucial role in stabilizing the spin-triplet superconducting state. A sizable hybridization of the bands suppresses the paired state.

研究动机与目标

• 研究在纯粹排斥性相互作用下，轨道简并的关联电子系统中自旋三重态超导态的稳定性。
• 确定宇称为偶（s波）的自旋三重态配对是否可在无需吸引性相互作用或现象学配对机制的条件下出现。
• 研究在多带关联系统中，半满附近自旋三重态超导与反铁磁性的共存行为。
• 阐明电子关联与洪特定则交换在超越平均场近似下稳定自旋三重态配对中的作用。
• 对比古茨维勒近似与哈特里-福克-BCS方法的结果，突出后者在捕捉关联配对机制方面的失败。

提出的方法

• 研究采用扩展的双带 Hubbard 模型，包含局域库仑排斥（U）、反位排斥（U′）和洪特定则交换（J）。
• 采用统计一致的古茨维勒近似（SGA）处理超越平均场理论的强电子关联，保持粒子数守恒与局域自旋对称性。
• 通过位内（s波）与位间（扩展s波）配对算符分析配对通道，实空间中定义序参量 Δ(0) 与 Δ(1)。
• 通过自洽最小化自由能确定超导与反铁磁相的稳定性，温度设为零（T→0）。
• 改变杂化参数 βh，评估其对配对稳定性的影晌，特别是对能带重整化与凝聚能的影响。
• 将结果与哈特里-福克-BCS近似进行比较，以分离关联效应在纯粹排斥性相互作用下促成配对的关键作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在仅具有排斥性相互作用的双带 Hubbard 模型中，宇称为偶的自旋三重态配对能否被稳定？
• RQ2 当平均场方法失效时，电子关联与洪特定则交换在实现自旋三重态超导中的作用是什么？
• RQ3 反铁磁序的存在如何影响半满附近自旋三重态超导相的稳定性？
• RQ4 带间杂化对自旋三重态配对态稳定性的影响是什么？
• RQ5 为何哈特里-福克-BCS方法无法预测古茨维勒近似中观察到的超导态？

主要发现

• 在纯粹排斥性相互作用（U′−J>0）下，宇称为偶的自旋三重态配对态（s波与扩展s波混合）是稳定的，这与哈特里-福克-BCS理论的预测相反。
• 超导相 A（位内配对）在所有 Jeff=U′−J 值下自由能均低于正常相，且在 Jeff=−0.1 时具有 Δ(0)=0.02325 的能隙。
• 位间配对分量 Δ(1) 较小（例如在 J_eff=−0.1 时为 0.00191），但与 Δ(0) 共存，且两者在相同临界参数值下同时消失。
• 当杂化参数 βh>0.0379 时，超导能隙被完全抑制，表明配对仅在弱杂化系统中稳定。
• 在半满附近，超导与反铁磁性的共存相是稳定的，与铁砷化物的物理行为一致。
• 能带重整化因子 Q 随 J 增大而减小，在 J_eff=0.15 时达到 0.71454，表明对准粒子权重有强烈的关联效应影响。