[论文解读] Inter-valley coherent order and isospin fluctuation mediated superconductivity in rhombohedral trilayer graphene

Shubhayu Chatterjee, Taige Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2021

Graphene research and applications被引用 5

一句话总结

本文提出，三角形三原子层石墨烯（RTG）中非常规超导性的配对机制由谷间相干（IVC）序与同位旋涨落介导，其中 IVC 涨落驱动临界点附近的手征性、全能隙超导态。谷间洪特定律耦合在自旋非极化态中偏好自旋单重态配对，与实验观测的 SC1 一致；而在自旋极化 IVC 态中则偏好自旋三重态配对，从而解释了 SC2 违反泡利极限的现象。

ABSTRACT

Superconductivity was recently discovered in rhombohedral trilayer graphene (RTG) in the absence of a moiré potential. Superconductivity is observed proximate to a metallic state with reduced isospin symmetry, but it remains unknown whether this is a coincidence or a key ingredient for superconductivity. Using a Hartree-Fock analysis and constraints from experiments, we argue that the symmetry breaking is inter-valley coherent (IVC) in nature. We evaluate IVC fluctuations as a possible pairing glue, and find that they lead to chiral unconventional superconductivity when the fluctuations are strong. We further elucidate how the inter-valley Hund's coupling determines the spin-structure of the IVC ground state and breaks the degeneracy between spin-singlet and triplet superconductivity. Remarkably, if the normal state is spin-unpolarized, we find that a ferromagnetic Hund's coupling favors spin-singlet superconductivity, in agreement with experiments. Instead, if the normal state is spin-polarized, then IVC fluctuations lead to spin-triplet pairing.

研究动机与目标

• 确定在超导相附近，三角形三原子层石墨烯（RTG）金属相中同位旋对称性破缺的本质。
• 探究在无莫尔势场的情况下，同位旋涨落是否能介导 RTG 中的超导性。
• 阐明谷间洪特定律耦合在解除自旋单重态与三重态超导态简并性中的作用。
• 调和理论预测与实验观测中 SC1（泡利极限受限）与 SC2（泡利极限违反）超导相之间的矛盾。

提出的方法

• 通过自洽的哈特ree-福克计算，识别出在 SC1 附近，谷间相干（IVC）态为基态，其破缺 U(1)v 谷宇称对称性，但不产生净自旋或谷极化。
• 通过平均场巴丁-库珀-施rieffer（BCS）间隙方程分析 IVC 涨落，以确定超导不稳定性。
• 引入谷间洪特定律耦合项，以解除自旋单重态与三重态超导通道之间的简并性。
• 结合动量空间与实空间分析，表征 IVC 有序参数，包括手征性与节点型超导态。
• 评估不同洪特定律耦合符号（铁磁性与反铁磁性）对配对对称性与自旋结构的影响。
• 同时考虑层内与层间散射项，包括一个可能幅度较小的二级洪特定律耦合项。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 RTG 超导相附近的金属态中，同位旋对称性破缺的本质是什么？
• RQ2 IVC 涨落是否足以单独介导 RTG 中的非常规超导性？其导致的配对对称性为何？
• RQ3 谷间洪特定律耦合如何影响 IVC 基态的自旋结构，并解除自旋单重态与三重态超导体之间的简并性？
• RQ4 为何 SC1 遵守泡利极限，而 SC2 却违反它？这与正常态自旋极化的关系如何？
• RQ5 在存在谷与自旋自由度的情况下，晶格尺度的洪特定律耦合在选择配对通道中起什么作用？

主要发现

• 在 SC1 附近的 IVC 态是一种时间反演对称的自旋单重态电荷密度波（CDW），或为依赖于谷间洪特定律耦合符号的共线自旋密度波（SDW），其破缺时间反演与自旋旋转对称性。
• IVC 涨落驱动超导不稳定性，其行为随 IVC 相关长度减小而由手征性全能隙超导态过渡至非手征性节点型超导态。
• 当洪特定律耦合为铁磁性（JH > 0）时，IVC 基态偏好自旋单重态超导性，与 SC1 的泡利极限受限行为一致。
• 在自旋极化态中，IVC 涨落导致自旋三重态配对，从而解释了 SC2 的泡利极限违反行为。
• 二级洪特定律耦合项（J̃H）偏好 s 波配对，当系统处于自旋极化时，可稳定非幺正自旋三重态超导态。
• 谷间洪特定律耦合消除了自旋单重态与三重态超导体之间的简并性，其中铁磁性耦合在非极化态中偏好自旋单重态配对。