[论文解读] Topological Superconductivity in Sn/Si(111) driven by non-local Coulomb interactions

Mehdi Biderang, Mohammad-Hossein Zare+1 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 40被引用 12

一句话总结

本研究通过随机相位近似（RPA）分析在三角晶格上扩展的 Hubbard 模型中的电子关联，研究了 Sn/Si(111) 中的拓扑超导性。结果表明，非长程库仑相互作用在半满附近驱动手性 d 波配对，而在强近邻排斥作用下，空穴掺杂时转为手性 p 波配对，电子掺杂时转为 f 波配对，电荷涨落在此 Cooper 配对中起关键作用。

ABSTRACT

Superconductivity was recently observed in boron-doped ($\sqrt{3} imes\sqrt{3}$)Sn/Si(111). The material can be described by an extended Hubbard model on a triangular lattice. Here, we use the random-phase approximation to investigate the charge and spin fluctuations as well as the superconducting properties of the system with respect to filling and the relative strength of the extended versus the on-site Hubbard interactions. Our calculations reveal that near half-filling and weak extended Hubbard interactions, the superconducting ground state exhibits chiral $d$-wave pairing. Far from half-filling and for stronger nearest-neighbor Coulomb interactions, the system shows chiral $p$-wave (hole-doping) and $f$-wave (electron-doping) pairings. The dependence of the pairing symmetry on the extended Hubbard interactions suggests that charge fluctuations play an important role in the formation of Cooper pairs. Finally, the temperature dependence of the Knight shift is calculated for all observed superconducting textures and put forward as an experimental method to examine the symmetry of the superconducting gap function.

研究动机与目标

• 理解非长程库仑相互作用在 Sn/Si(111) 系统中驱动非传统超导性的角色。
• 解决先前理论研究中关于该体系配对对称性（特别是自旋单重态与三重态配对）的不一致之处。
• 研究掺杂浓度以及局域与近邻 Hubbard 相互作用相对强度如何影响超导配对对称性。
• 提出一种可测量的实验信号——温度依赖的 Knight 位移——以识别超导能隙函数的对称性。

提出的方法

• 将 Sn/Si(111) 系统建模为具有局域（U）和近邻（V） Hubbard 相互作用的单带紧束缚哈密顿量，定义于三角晶格上。
• 使用随机相位近似（RPA）计算裸态与 RPA 修正的电荷和自旋磁化率，以分析电荷与自旋涨落。
• 通过 RPA 计算电荷与自旋通道中的有效相互作用，以确定超导不稳定性通道。
• 利用 RPA 修正的相互作用求解 BCS 能隙方程，以识别主导配对通道及其对称性。
• 计算 Knight 位移的温度依赖性，以建立理论配对对称性与实验可观测量之间的联系。
• 分析能带结构与态密度（DOS），以识别范霍夫奇点及其在增强配对中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在半满附近及掺杂条件下，非长程库仑相互作用如何影响 Sn/Si(111) 系统中的配对对称性？
• RQ2 与自旋涨落相比，电荷涨落在该体系中促进 Cooper 配对的机制是什么？
• RQ3 在不同掺杂水平和相互作用强度下，哪些配对通道（d 波、p 波或 f 波）得以稳定？
• RQ4 Knight 位移能否作为可靠实验探针，以区分该体系中不同超导能隙对称性？

主要发现

• 在半满附近且扩展 Hubbard 相互作用较弱时，超导基态表现出手性 d 波配对。
• 远离半满时，强近邻库仑排斥导致空穴掺杂区域出现手性 p 波配对，电子掺杂区域出现 f 波配对。
• 配对对称性强烈依赖于扩展（V）与局域（U） Hubbard 相互作用的相对强度，表明电荷涨落起关键作用。
• 在填充数 ⟨n⟩ ≈ 0.92 处的范霍夫奇点增强了超导不稳定性，尤其对 d 波和 f 波通道有显著增强。
• 计算得到的 Knight 位移对不同配对对称性表现出明显的温度依赖性，为区分不同对称性提供了清晰的实验信号。
• 本结果通过表明非长程库仑相互作用对稳定该体系中手性超导态至关重要，解决了文献中先前存在的矛盾。