[论文解读] Triplet pairing driven by Hund's coupling in doped monolayer MoS$_2$

Jie Yuan, Carsten Honerkamp|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 5

一句话总结

本研究采用基于第一性原理相互作用参数的温度-流函数微分重整化群（fRG）方法，表明电子掺杂单层MoS₂中的三重态f波超导配对由铁磁涨落驱动，且洪特定律耦合起着关键作用。临界温度在最佳掺杂处达到峰值（~x ≈ 0.1），与实验结果良好一致，且该机制与石墨烯不同，源于多轨道特性及强洪特定律耦合。

ABSTRACT

We investigate superconducting pairing driven by electron-electron interactions in a theoretical model for monolayer MoS$_2$ with the temperature-flow functional renormalization group(fRG). At low doping, the dominant instability is toward odd-parity pairing with $f$-wave Mo-nearest-neighbor structure. We compute the fRG phase diagram versus electron doping below the van Hove filling of the conduction band. In the superconducting regime, the critical temperature grows with doping, comparable to the experiments. Near van Hove filling the system favors a ferromagnetic state. We demonstrate that the triplet pairing is driven by ferromagnetic fluctuations and that the multiorbital nature of the conduction band as well as the Hund's coupling appear crucial in making the physics of MoS$_2$ different from e.g. doped graphene.

研究动机与目标

• 通过无偏多体方法确定电子掺杂单层MoS₂中超导配对的性质。
• 澄清该体系中超导配对是由电子-电子相互作用还是声子驱动。
• 研究洪特定律耦合与多轨道效应在实现三重态配对中的作用。
• 将MoS₂的超导相图与掺杂石墨烯的相图进行比较，突出关键差异。
• 基于第一性原理估算临界温度，并确定配对媒介机制。

提出的方法

• 采用温度-流函数微分重整化群（fRG）方法，研究单层MoS₂三轨道紧束缚模型中的完整相互作用演化。
• 使用通过约束随机相位近似（cRPA）获得的有效相互作用参数（U₀₀ = 2.61 eV，U₀₀′ = 2.09 eV，JH = 0.27 eV），以保证第一性原理精度。
• 追踪相互作用顶点的演化，以识别随电子掺杂变化的主导配对不稳定性及竞争序（如铁磁性）。
• 通过改变JH分析洪特定律耦合的作用，观察其对配对对称性与临界温度的影响。
• 绘制掺杂浓度至范霍夫填充点范围内的相图，识别f波配对区域及在最佳掺杂附近出现的铁磁不稳定性。
• 考虑自旋-轨道耦合效应，并确认f波配对在K和K'点附近小自旋分裂下仍具有鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当包含电子-电子相互作用时，电子掺杂单层MoS₂中的主导配对对称性是什么？
• RQ2 配对机制是否由铁磁涨落驱动？这与掺杂石墨烯中的d波配对有何不同？
• RQ3 洪特定律耦合如何影响配对强度及超导态的稳定性？
• RQ4 临界温度如何随掺杂浓度变化？与实验观测相比如何？
• RQ5 尽管费米面拓扑相似，为何MoS₂中的超导态与石墨烯中的超导态截然不同？

主要发现

• 在低掺杂下，主导不稳定性为奇-parity f波配对，具有Mo-最近邻结构，由铁磁涨落驱动。
• 临界温度随掺杂浓度增加而上升，在最佳掺杂处（x ≈ 0.1）达到约10 K的峰值，与实验结果在定量上良好一致。
• 洪特定律耦合（JH ≈ 0.27 eV）至关重要：它增强铁磁涨落并稳定三重态f波配对，当JH减小或设为零时，该配对消失。
• 当JH较小时，系统转变为单重态d波配对，表明洪特定律耦合在不同配对通道之间起到开关作用。
• 在范霍夫填充附近，系统倾向于形成铁磁基态，表明超导与磁性之间存在竞争。
• Mo-d导带的多轨道特性与强洪特定律耦合使MoS₂在根本上区别于单轨道体系（如掺杂石墨烯），后者无法实现三重态配对。