[论文解读] Stabilizing fluctuating spin-triplet superconductivity in graphene via induced spin-orbit coupling

Jonathan B. Curtis, Nicholas R. Poniatowski+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2022

Graphene research and applications被引用 4

一句话总结

该论文提出，在双层石墨烯中诱导的伊辛自旋轨道耦合通过破坏自旋旋转对称性，抑制了自旋三重态超导序参量的低能涨落，从而显著提高了临界温度，稳定了超导态。该机制解释了最近在WSe2沉积的双层石墨烯中观测到的增强型零场自旋三重态超导性，理论预测与观测到的Tc提升一致，并提示可能存在共存的准长程有序4e电荷超导相。

ABSTRACT

A recent experiment showed that proximity induced Ising spin-orbit coupling enhances the spin-triplet superconductivity in Bernal bilayer graphene. Here, we show that, due to the nearly perfect spin rotation symmetry of graphene, the fluctuations of the spin orientation of the triplet order parameter suppress the superconducting transition to nearly zero temperature. Our analysis shows that both Ising spin-orbit coupling and in-plane magnetic field can eliminate these low-lying fluctuations and can greatly enhance the transition temperature, consistent with the recent experiment. Our model also suggests the possible existence of a phase at small anisotropy and magnetic field which exhibits quasi-long-range ordered spin-singlet charge 4e superconductivity, even while the triplet 2e superconducting order only exhibits short-ranged correlations. Finally, we discuss relevant experimental signatures.

研究动机与目标

• 解释在WSe2邻近层诱导的伊辛自旋轨道耦合下，双层石墨烯中自旋三重态超导性的实验稳定机制。
• 解决理论难题：石墨烯中由于近似完美的自旋旋转对称性，自旋三重态序参量的涨落会受到金斯通模式的抑制。
• 表明伊辛自旋轨道耦合和面内磁场可抑制这些涨落，从而提高超导转变温度。
• 探讨在弱各向异性和磁场存在下，可能存在与短程2e三重态配对共存的准长程有序自旋 singlet 4e超导相的可能性。
• 提供可实验验证的机制特征，包括自旋磁化率异常和临界行为。

提出的方法

• 基于群论构建有效场论，采用吉兹堡-朗道形式描述自旋旋转对称性破缺下的石墨烯中自旋三重态超导性。
• 将诱导的伊辛自旋轨道耦合作为自旋谷空间中的类似Zeeman场处理，使三重态序参量的d-矢量沿z轴定向。
• 使用BCS理论计算无量纲钉扎能Γ⊥，显示其随λ增大而增加超过两个数量级。
• 分析自旋磁化率χ∥，表明在无自旋轨道耦合时因软涨落而发散，但被有限的Γ⊥所抑制。
• 利用逆压缩率测量的实验数据估算态密度（~7 meV⁻¹Å⁻²）和费米能（~0.6 meV），以实现定量参数化。
• 考虑2e三重态与4e单重态配对通道之间的竞争，提出在弱各向异性和磁场下，尽管存在短程2e关联，4e通道仍可能存在准长程有序相。

实验结果

研究问题

• RQ1 诱导的伊辛自旋轨道耦合如何稳定双层石墨烯中自旋三重态超导性的涨落？
• RQ2 为何在添加WSe2后，即使在零磁场下，超导转变温度也显著提高？
• RQ3 自旋旋转对称性破缺在抑制三重态序参量金斯通模式涨落中起什么作用？
• RQ4 在弱各向异性和磁场存在下，是否可能与短程2e三重态配对共存一个准长程有序的4e电荷超导相？
• RQ5 所提出机制的可实验观测特征是什么，例如自旋磁化率异常或临界行为？

主要发现

• 诱导的伊辛自旋轨道耦合通过将d-矢量钉扎在z轴方向，抑制了自旋三重态序参量的低能涨落，从而稳定了超导性。
• 无量纲钉扎能Γ⊥随诱导自旋轨道耦合强度λ的增加而增加超过两个数量级，BCS计算结果已证实此趋势。
• 自旋磁化率χ∥在无自旋轨道耦合时因软涨落而发散，但被有限的Γ⊥所抑制，从而恢复平均场行为。
• 临界温度因伊辛自旋轨道耦合和面内磁场的共同作用而显著提升，与实验观测到的Tc提升一个数量级一致。
• 在小各向异性和磁场下，可能存在一个在4e电荷超导中具有准长程有序的相，与短程2e三重态配对共存，提示存在一种新颖的竞争通道。
• 该模型预测在T*处出现异常的、表观的自旋磁化率上升，可能作为涨落三重态序参量的实验信号。