[论文解读] Magic angles and correlations in twisted nodal superconductors

Pavel A. Volkov, Justin H. Wilson+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

该论文提出，二维节点型超导体的扭曲双层结构在特定‘魔角’下，由于层间跃迁导致准粒子速度消失，从而形成二次能带接触。在此角度下，电子关联作用诱导出时间反演对称性破缺的超导态，且可通过位移场、磁场或电流进行调控，为在铜氧化物和重费米子等节点型超导体中设计关联量子物态提供了新途径。

ABSTRACT

Motivated by recent advances in the fabrication of twisted bilayers of 2D materials, we consider the low-energy properties of a twisted pair of two-dimensional nodal superconductors. We study both the cases of singlet and triplet superconductors. It is demonstrated that the Bogoliubov-de Gennes (BdG) quasiparticle dispersion undergoes dramatic reconstruction due to the twist. In particular, the velocity of the neutral massless Dirac excitations near the gap nodes is strongly renormalized by the interlayer hopping and vanishes at a ``magic angle'' where in the limit of a circular Fermi surface a quadratic band touching is formed. In addition, it is shown that the BdG disperion can be tuned with an interlayer displacement field, magnetic field, and current, which can suppress the velocity renormalization, create finite BdG Fermi surfaces, or open a gap, respectively. Finally, interactions between quasiparticles are shown to lead to the emergence of a correlated superconducting state breaking time-reversal symmetry in the vicinity of the magic angle. Estimates of the magic angle in a variety of nodal superconductors are presented, ranging from the cuprates to the organic and heavy fermion superconductors, all of which are shown to be promising for the experimental realization of our proposal.

研究动机与目标

• 理解扭曲双层二维节点型超导体的低能准粒子谱，特别是靠近能隙节点区域的特性。
• 研究层间跃迁和扭转角如何影响Bogoliubov-de Gennes（BdG）准粒子能带色散关系与速度。
• 探索通过外部场（位移场、磁场、电流）调控系统的方法及其对准粒子性质的影响。
• 考察电子-电子关联作用在魔角附近驱动时间反演对称性破缺的关联超导态的作用。
• 估算真实材料中魔角的数值，包括铜氧化物、有机超导体和重费米子超导体，以评估实验可行性。

提出的方法

• 利用Bogoliubov-de Gennes（BdG）形式化方法，为扭曲节点型超导体构建低能有效模型，以描述准粒子激发。
• 分析层间跃迁下的BdG准粒子能带色散，显示速度的重正化效应，并在临界‘魔角’处出现二次能带接触。
• 采用具有圆形费米面的连续模型，通过解析推导得出魔角下准粒子速度为零的条件。
• 施加外部扰动——位移场、磁场和电流——以调控BdG谱，包括抑制速度重正化或打开能隙。
• 求解包含顶点修正的间隙方程，以包含电子-电子关联作用，表明在魔角附近出现时间反演对称性破缺的超导态。
• 计算约瑟夫森电流-相位关系，评估修正谱对超电流输运的影响，特别是在魔角附近的特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 扭转角对节点型超导体中中性狄拉克准粒子速度有何影响？
• RQ2 在何种扭转角下准粒子速度归零，导致二次能带接触形成？该‘魔角’如何确定？
• RQ3 位移场、磁场和电流等外部场如何调控扭曲节点型超导体中BdG准粒子谱？
• RQ4 电子-电子关联作用是否会在魔角附近诱导出时间反演对称性破缺的超导态？
• RQ5 在实验相关的节点型超导体（如铜氧化物、有机超导体和重费米子材料）中，魔角的估算值是多少？

主要发现

• 在扭曲节点型超导体中，准粒子速度受层间跃迁强烈重正化，并在‘魔角’处归零，形成二次能带接触，标志一次拓扑相变。
• 在圆形费米面极限下，魔角被解析导出，其条件为层间跃迁能量与费米速度及能隙尺度相匹配。
• 外部位移场可抑制速度重正化，磁场可在BdG谱中打开能隙，而外加电流可诱导准粒子谱中出现有限费米面。
• 电子-电子关联作用导致在魔角附近出现时间反演对称性破缺的关联超导态。
• 魔角的估算值在各类节点型超导体（包括铜氧化物、有机超导体和重费米子体系）中约为1°至5°，表明具有实验可行性。
• 在魔角附近，约瑟夫森电流-相位关系近似为正弦形，极低相位差下存在对数修正，但对典型实验条件可忽略不计。