[论文解读] Resonating valence bonds and mean-field d-wave superconductivity in graphite

Annica M. Black‐Schaffer, Doniach, Sebastian|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|Dec 6, 2006

Graphite, nuclear technology, radiation studies被引用 10

一句话总结

本文提出，石墨中的电子关联效应可通过共振价键（RVB）机制诱导出d波超导电性，采用具有键依赖性序参数的平均场理论。研究发现，在有限掺杂下d波超导电性具有高于s波的临界温度，且石墨-硫界面的硫掺杂可驱动该转变，对插层石墨及平均场理论的适用范围具有启示意义。

ABSTRACT

We investigate the possibility of inducing superconductivity in a graphite layer by electronic correlation effects. We use a phenomenological microscopic Hamiltonian which includes nearest neighbor hopping and an interaction term which explicitly favors nearest neighbor spin-singlets through the well-known resonance valence bond (RVB) character of planar organic molecules. Treating this Hamiltonian in mean-field theory, allowing for bond-dependent variation of the RVB order parameter, we show that both s- and d-wave superconducting states are possible. The d-wave solution belongs to a two-dimensional representation and breaks time reversal symmetry. At zero doping there exists a quantum critical point at the dimensionless coupling J/t = 1.91 and the s- and d-wave solutions are degenerate for low temperatures. At finite doping the d-wave solution has a significantly higher Tc than the s-wave solution. By using density functional theory we show that the doping induced from sulfur absorption on a graphite layer is enough to cause an electronically driven d-wave superconductivity at graphite-sulfur interfaces. We also discuss applying our results to the case of the intercalated graphites as well as the validity of a mean-field approach.

研究动机与目标

• 探究单层石墨烯中的电子关联效应是否可通过共振价键（RVB）机制诱导出超导电性。
• 在具有键依赖性序参数的平均场理论下，确定超导态（s波与d波）的稳定性和性质。
• 评估掺杂，特别是石墨-硫界面处硫吸收的作用，以实现d波超导电性。
• 评估平均场理论在预测高度掺杂石墨体系（包括插层石墨化物，GICs）Tc时的有效性。
• 探讨d波态中时间反演对称性是否破缺，及其对磁性与超导序共存的含义。

提出的方法

• 构建一个唯象的微观哈密顿量，包含最近邻跃迁和偏好形成自旋单重态对的RVB相互作用。
• 应用具有空间变异性的RVB序参数的平均场理论，以允许d波对称性和键依赖性配对。
• 通过数值求解平均场方程，确定作为掺杂浓度和耦合强度J/t函数的相图。
• 利用密度泛函理论（DFT）计算硫向石墨的电子转移，估算界面处的掺杂水平。
• 通过参数kFξ评估BCS-BEC交叉区域的可靠性，以评估平均场Tc估计的可信度。
• 分析二维性和界面耦合对超导转变的影响，包括薄膜中的KT型转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 单层石墨烯中的电子关联效应是否可通过RVB机制诱导出d波超导电性？
• RQ2 在该模型中，稳定d波超导电性而非s波所需的临界掺杂水平是多少？
• RQ3 石墨-硫界面处的硫掺杂在多大程度上可诱导足够的空穴掺杂以触发超导电性？
• RQ4 平均场理论在预测高度掺杂石墨体系（尤其是接近BCS-BEC交叉区域）的Tc时有多可靠？
• RQ5 d波态是否破缺时间反演对称性？这对磁性与超导序共存有何影响？

主要发现

• 在未掺杂石墨中，当J/t = 1.91时存在一个量子临界点，低温下s波与d波解简并。
• 在有限掺杂下，d波超导态的Tc显著高于s波态，支持d波配对。
• DFT计算表明，硫吸收可诱导足够的空穴掺杂，使石墨-硫界面实现超导电性，与实验测得的Tc ~35 K一致。
• C2S体系的估计kFξ ≈ 300，处于BCS区域；而掺杂更高的GICs则接近BEC区域，对平均场Tc估计提出质疑。
• d波态破缺时间反演对称性，从而可能实现铁磁序与超导序的共存。
• 在高度掺杂体系（如GICs）中，平均场理论可能低估Tc，尤其对于具有有限对尺寸的d波配对，因其接近BCS-BEC交叉区域。