[论文解读] Odd-parity superconductivity from phonon-mediated pairing

P. M. R. Brydon, S. Das Sarma+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 5

一句话总结

本文研究了时间反演对称性和空间反演对称性下自旋-轨道耦合体系中的声子介导奇宇称超导性。结果表明，除非库仑赝势显著，否则纯电子-声子耦合无法在三重态态上稳定于单重态之上；然而，保持手性的电子-声子顶点可在弱关联体系（如Cu_xBi_2Se_3）中实现奇宇称超导性，前提是此类相互作用占主导地位。

ABSTRACT

Motivated by the proposed topological state in CuxBi2Se3, we study the possibility of phononmediated odd-parity superconductivity in spin-orbit coupled systems with time-reversal and inversion symmetry. For such systems, we show that, in general, pure electron-phonon coupling can never lead to a triplet state with a higher critical temperature than the leading singlet state. The Coulomb pseudopotential, which is the repulsive part of the electron-electron interaction and is typically small in weakly correlated systems, is therefore critical to stabilizing the triplet state. We introduce a chirality quantum number, which identifies the electron-phonon vertex interactions that are most favorable to the triplet channel as those that conserve chirality. Applying these results to CuxBi2Se3, we find that a phonon-mediated odd-parity state may be realized in the presence of weak electronic correlations if the chirality-preserving electron-phonon vertices are much stronger than the chirality-flipping vertices.

研究动机与目标

• 研究在时间反演对称性和空间反演对称性下，自旋-轨道耦合体系中声子介导奇宇称超导性的可行性。
• 确定电子-电子相互作用（特别是库仑赝势）在稳定三重态超导态中的作用。
• 通过新引入的手性量子数，识别最有利于奇宇称配对的电子-声子顶点相互作用。
• 评估在弱电子关联条件下，该态在候选材料Cu_xBi_2Se_3中的实现潜力。

提出的方法

• 对具有时间反演对称性和空间反演对称性的自旋-轨道耦合体系中的电子-声子耦合进行理论分析。
• 引入手性量子数，根据其守恒性质对电子-声子顶点进行分类。
• 采用Eliashberg形式化方法评估超导配对通道，区分单重态与三重态态。
• 将库仑赝势作为关键参数引入，以评估其在稳定三重态通道中的作用。
• 将该形式化方法应用于Cu_xBi_2Se_3的具体情况，重点关注保持手性与改变手性的顶点之间的相对强度。
• 在不同相互作用强度下，比较单重态与三重态配对通道的临界温度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有时间反演对称性和空间反演对称性的自旋-轨道耦合体系中，纯电子-声子耦合能否稳定奇宇称三重态超导态？
• RQ2 当仅靠电子-声子耦合不足以实现三重态配对时，库仑赝势在促成三重态配对中起什么作用？
• RQ3 哪些电子-声子顶点相互作用最有利于奇宇称配对？它们如何通过手性量子数进行分类？
• RQ4 在弱电子关联条件下，Cu_xBi_2Se_3中能否实现声子介导的奇宇称超导态？
• RQ5 保持手性的与改变手性的电子-声子顶点如何影响三重态通道的稳定性？

主要发现

• 在所研究的体系中，仅靠纯电子-声子耦合无法使三重态态的临界温度高于主导的单重态态。
• 即使在弱关联体系中，库仑赝势也是稳定三重态态所必需的。
• 保持手性的电子-声子顶点被识别为最有利于促进奇宇称超导性的因素。
• 在Cu_xBi_2Se_3中，若保持手性的顶点显著强于改变手性的顶点，则可能实现声子介导的奇宇称超导态。
• 弱电子关联的存在并不排除奇宇称超导性，前提是特定的电子-声子相互作用结构有利。
• 手性量子数为识别自旋-轨道耦合超导体中主导配对通道提供了一个有用的分类方案。