[论文解读] Spectral properties of a mixed singlet-triplet Ising superconductor

Sourabh Patil, Gaomin Tang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2023

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一句话总结

本研究探讨了在面内磁场作用下，混合单重态-三重态伊辛超导体的能谱特性，重点关注由有限能量配对关联引起的幻影能隙。结果表明，三重态配对会减小幻影能隙的最大宽度，并在温度低于三重态临界温度时，使高场下仍能维持有限的幻影能隙，这与仅存在单重态的情况形成对比，后者在临界磁场下幻影能隙会消失。

ABSTRACT

Conventional two-dimensional superconductivity is destroyed when the critical in-plane magnetic field exceeds the so-called Pauli limit. Some monolayer transition-metal dichalcogenides lack inversion symmetry and the strong spin-orbit coupling leads to a valley-dependent Zeeman-like spin splitting. The resulting spin-valley locking lifts the valley degeneracy and results in a strong enhancement of the in-plane critical magnetic field. In these systems, it was predicted that the density of states in an in-plane field exhibits distinct mirage gaps at finite energies of about the spin-orbit coupling strength, which arise from a coupling of the electron and hole bands at energy larger than the superconducting gap. In this study, we investigate the impact of a triplet pairing channel on the spectral properties, primarily the mirage gap and the superconducting gap, in the clean limit. Notably, in the presence of the triplet pairing channel, the mirage-gap width is reduced for the low magnetic fields. Furthermore, when the temperature is lower than the triplet critical temperature, the mirage gaps survive even in the strong-field limit due to the finite singlet and triplet order parameters. Our work provides insights into controlling and understanding the properties of spin-triplet Cooper pairs.

研究动机与目标

• 理解在面内磁场下，伊辛超导体中单重态与三重态配对通道之间的相互作用。
• 研究三重态配对如何影响能谱特性，特别是作为有限能量配对关联特征的幻影能隙。
• 确定在何种条件下幻影能隙能在强场区域持续存在，特别是在温度低于三重态临界温度时。
• 通过引入三重态配对效应，解决少层NbSe2中实验观测到的增强超导能隙与仅基于单重态配对预测之间的差异。

提出的方法

• 采用Nambu基下的Bogoliubov–de Gennes哈密顿量，描述K和K′谷附近的系统，同时包含单重态和三重态序参量。
• 模型包含自旋轨道耦合（伊辛型）和面内磁场，有效Zeeman项由磁场与自旋轨道耦合共同产生。
• 通过数值求解自洽配对方程，确定单重态（Δs）和三重态（Δt）序参量随温度和磁场的变化关系。
• 从态密度中提取幻影能隙宽度δ，并在高场极限下使用解析近似，推导Δs与Δt的渐近行为。
• 分析聚焦于无 disorder 的清洁极限，采用相对于单重态临界温度Tcs的无量纲单位。
• 系统在两种情形下进行分析：T > Tct（临界磁场下两种序参量均消失）与T < Tct（高场下两者均保持有限），重点分析由此产生的能谱差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在面内磁场下，引入三重态配对通道如何改变伊辛超导体中幻影能隙的最大宽度？
• RQ2 当温度低于三重态临界温度Tct时，高面内磁场下幻影能隙会发生什么变化？
• RQ3 为何实验观测到的少层NbSe2中超导能隙超出仅基于单重态配对的预测？
• RQ4 在强场极限下，幻影能隙在何种条件下仍能持续存在，这与仅存在单重态的情况有何不同？
• RQ5 在面内磁场存在下，自洽配对方程如何调控单重态与三重态序参量之间的相互作用？

主要发现

• 通过调节面内磁场所能实现的幻影能隙最大宽度随三重态临界温度Tct的增加而减小。
• 当温度高于Tct时，幻影能隙在临界磁场下消失，与仅存在单重态的情况一致，此时Δs与Δt在同一磁场下同时消失。
• 当温度低于Tct时，即使在极高面内磁场下，单重态与三重态序参量仍保持有限，从而导致有限的幻影能隙。
• 在高场极限下，单重态序参量满足Δs ∝ βsoΔt / Bx，表明只要Δt非零，Δs即可保持有限。
• 由于序参量不消失，特别是当T < Tct时，幻影能隙宽度δ在高场下仍保持有限，表明有限能量配对关联具有鲁棒性。
• 解析推导证实，由于单重态与三重态通道之间的耦合，幻影能隙在强场区域仍能持续存在，从而稳定了能隙结构。