[论文解读] Spin and Charge Fluctuation Induced Pairing in ABCB Tetralayer Graphene

Ammon Fischer, Lennart Klebl+6 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2023

Graphene research and applicationsMaterials Science参考文献 51被引用 3

一句话总结

本研究采用轨道分辨的随机相位近似（RPA）方法，分析了ABC B堆叠四层石墨烯中由现实的短程和长程库仑相互作用引起的自旋和电荷涨落，探究其超导性。研究发现，在范霍夫奇点附近，自旋涨落驱动f波自旋三重态、谷单重超导；而电荷涨落则导致p波超导，两种机制在导带边共存，凸显了不同相互作用类型在决定超导配对对称性中的竞争关系。

ABSTRACT

Motivated by the recent experimental realization of ABCB stacked tetralayer graphene [Wirth et al., ACS Nano 16, 16617 (2022)], we study correlated phenomena in moiré-less graphene tetralayers for realistic interaction profiles using an orbital resolved random phase approximation approach. We demonstrate that magnetic fluctuations originating from local interactions are crucial close to the van Hove singularities on the electron- and hole-doped side promoting layer selective ferrimagnetic states. Spin fluctuations around these magnetic states enhance unconventional spin-triplet, valley-singlet superconductivity with $f$-wave symmetry due to intervalley scattering. Charge fluctuations arising from long range Coulomb interactions promote doubly degenerate p-wave superconductivity close to the van Hove singularities. At the conduction band edge of ABCB graphene, we find that both spin and charge fluctuations drive $f$-wave superconductivity. Our analysis suggests a strong competition between superconducting states emerging from long- and short-ranged Coulomb interactions and thus stresses the importance of microscopically derived interaction profiles to make reliable predictions for the origin of superconductivity in graphene based heterostructures.

研究动机与目标

• 理解无扭转ABC B堆叠四层石墨烯中的超导起源，其中无莫尔效应，关联效应由本征电子结构决定。
• 通过基于第一性原理的、轨道分辨的RPA方法，克服有效模型的局限性，一致地包含短程和长程库仑相互作用。
• 厘清自旋涨落（来自局域相互作用）和电荷涨落（来自长程库仑相互作用）在驱动非传统超导中的作用。
• 确定由自旋涨落主导的f波机制与由电荷涨落主导的p波机制如何共同影响范霍夫奇点附近的主导超导序参量。
• 评估超导不稳定性在温度和屏蔽变化下的鲁棒性，特别是在导带边和范霍夫奇点附近。

提出的方法

• 采用改进的Slonzevecki-Weiss-McClure紧束缚模型，描述ABC B堆叠四层石墨烯的原子尺度电子能带结构，与第一性原理计算一致。
• 应用轨道分辨的随机相位近似（RPA）计算粒子- hole和粒子-粒子响应函数，实现对自旋和电荷涨落的系统分析。
• 使用三种不同的RPA变体：x-RPA（仅局域Hubbard U）、d-RPA（屏蔽的长程库仑相互作用）和xd-RPA（结合短程和长程相互作用），以分离各自贡献。
• 将有效配对顶点从轨道表象投影到能带表象，聚焦于不同费米面区域间 Cooper 对的散射，以识别主导的配对对称性。
• 将费米能级截断设置为 μ_min = -5 meV 和 μ_max = -2 meV，以隔离范霍夫奇点附近的空穴掺杂区域，确保与热展宽（η_FS > T）一致。
• 分析超导耦合常数 λ_SC 随化学势、Hubbard U、屏蔽长度 d 和温度 T 的变化，以评估超导态的稳定性和对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 局域相互作用引起的自旋涨落在ABC B堆叠四层石墨烯中范霍夫奇点附近驱动超导的机制是什么？
• RQ2 长程库仑相互作用通过电荷涨落如何贡献于超导配对，其偏好何种对称性？
• RQ3 自旋涨落和电荷涨落介导的配对机制之间如何相互作用，以决定主导的超导序参量？
• RQ4 预测的超导不稳定性对温度和屏蔽长度变化的鲁棒性如何？
• RQ5 在导带边，f波与p波哪种配对对称性占主导地位，其竞争关系由什么决定？

主要发现

• 在空穴掺杂侧的范霍夫奇点附近，局域相互作用引起的自旋涨落促进层选择性铁磁序，并通过谷间散射增强f波自旋三重态、谷单重超导。
• 由长程库仑相互作用引起的电荷涨落在相同范霍夫奇点附近驱动双重简并的p波超导。
• 在导带边，自旋涨落和电荷涨落共同驱动f波超导，表明两种配对机制存在强烈竞争。
• 超导耦合常数 λ_SC 在屏蔽长度变化（从 d = 200a₀ 到 d = 50a₀）下保持鲁棒，表明长程尾部屏蔽不会抑制不稳定性。
• 温度依赖性分析显示，λ_SC 在低温下增大，尤其在d-RPA通道中；当接近Stoner判据时，高U（如U = 4.5 eV）下f波通道被抑制。
• xd-RPA方法证实，自旋涨落和电荷涨落的贡献均不可或缺，联合机制在导带边保持主导的f波对称性。