[论文解读] Knight Shift and Leading Superconducting Instability From Spin Fluctuations in Sr2RuO4

Astrid T. Rømer, Scherer, D. D.+3 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2019

Advanced Condensed Matter Physics被引用 6

一句话总结

本文使用包含自旋-轨道耦合和洪特定律耦合的现实模型，研究了Sr2RuO4中的自旋涨落介导超导性。结果表明，即使-parity赝自旋单重态在相图中占主导地位，但自旋-轨道耦合可稳定近节点的奇-parity三重态态——无论是螺旋还是手性——而s′-波与dx²−y²-波态之间出人意料的近简并性提示可能存在时间反演对称性破缺的s′ + i dx²−y²态。Knight位移计算显示，面内与面外磁场下具有不同的温度依赖特征，挑战了长期存在的手性三重态配对方案。

ABSTRACT

Recent nuclear magnetic resonance studies [A. Pustogow {\it et al.}, arXiv:1904.00047] have challenged the prevalent chiral triplet pairing scenario proposed for Sr$_2$RuO$_4$. To provide guidance from microscopic theory as to which other pair states might be compatible with the new data, we perform a detailed theoretical study of spin-fluctuation mediated pairing for this compound. We map out the phase diagram as a function of spin-orbit coupling, interaction parameters, and band-structure properties over physically reasonable ranges, comparing when possible with photoemission and inelastic neutron scattering data information. We find that even-parity pseudospin singlet solutions dominate large regions of the phase diagram, but in certain regimes spin-orbit coupling favors a near-nodal odd-parity triplet superconducting state, which is either helical or chiral depending on the proximity of the $γ$ band to the van Hove points. A surprising near-degeneracy of the nodal $s^\prime$- and $d_{x^2-y^2}$-wave solutions leads to the possibility of a near-nodal time-reversal symmetry broken $s^\prime+id_{x^2-y^2}$ pair state. Predictions for the temperature dependence of the Knight shift for fields in and out of plane are presented for all states.

研究动机与目标

• 基于近期NMR数据显示在Tc以下Knight位移下降，重新表述Sr2RuO4中配对机制，超越主导的手性三重态方案。
• 研究自旋-轨道耦合与洪特定律耦合如何影响多轨道、自旋各向异性的系统中的主要超导不稳定性。
• 将理论预测的Knight位移行为（面内与面外磁场）与近期实验数据进行比较，后者与手性三重态配对预期的温度不变Knight位移相矛盾。
• 探讨在包含费米面拓扑与自旋涨落各向异性的现实电子参数下，偶-parity单重态与奇-parity三重态配对态的稳定性。

提出的方法

• 采用自旋涨落方法，利用随机相位近似（RPA）计算有效配对相互作用，引入现实的自旋-轨道耦合与洪特定律耦合。
• 电子结构通过包含自旋-轨道耦合的多轨道紧束缚哈密顿量建模，转换至赝自旋表象以描述自旋单重态与自旋三重态分量。
• 通过数值求解线性化间隙方程确定主要超导通道，间隙函数通过邻近费米面点的高斯展宽在布里渊区全范围内扩展。
• Knight位移作为零动量处自旋磁化率的实部计算，使用BCS形式描述间隙幅值的温度依赖性。
• 在一系列自旋-轨道耦合强度与相互作用参数下，映射自旋磁化率与间隙结构，并与角分辨光电子能谱与中子散射数据进行比较。
• 通过变换矩阵从赝自旋表象重构库珀对的电子自旋特性，实现对真实自旋通道中单重态/三重态权重的分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Sr2RuO4中，自旋涨落介导的配对是否能在大范围参数空间中稳定偶-parity赝自旋单重态，从而挑战奇-parity三重态配对的主导地位？
• RQ2 自旋-轨道耦合如何影响主要超导不稳定性性质，特别是是否倾向于稳定近节点的奇-parity三重态？
• RQ3 在不同配对态下，面内与面外磁场的Knight位移预测温度依赖性如何？与近期实验数据相比有何差异？
• RQ4 s′-波与dx²−y²-波配对态之间是否存在近简并性，可能导致时间反演对称性破缺的s′ + i dx²−y²超导态？
• RQ5 自旋涨落各向异性和费米面拓扑如何影响超导间隙的稳定性和对称性？

主要发现

• 在广泛自旋-轨道耦合与相互作用参数范围内，偶-parity赝自旋单重态解在相图中占主导地位。
• 当自旋-轨道耦合较强且γ带接近范霍夫点时，近节点的奇-parity三重态态——无论是螺旋还是手性——成为主要不稳定性。
• s′-波与dx²−y²-波配对态之间出人意料的近简并性提示可能存在时间反演对称性破缺的s′ + i dx²−y²超导态。
• 在手性三重态中，面内磁场的Knight位移在Tc以下显著下降，与实验观察到的Knight位移下降现象矛盾，后者更支持偶-parity单重态或混合态。
• 即使在完全能隙的单重态态中，由于单重态-三重态混合特性，自旋-轨道耦合作用下面外Knight位移的抑制程度也较弱。
• 螺旋三重态态在同自旋三重态通道中具有主导权重，而s′-波态则以单重态为主，伴有微弱三重态混杂。