[论文解读] Triplet pairing mechanisms from Hund's-Kondo models: applications to UTe$_{2}$ and CeRh$_{2}$As$_{2}$

Tamaghna Hazra, Piers Coleman|arXiv (Cornell University)|May 26, 2022

Rare-earth and actinide compounds被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种在重费米子超导体（如UTe₂和CeRh₂As₂）中新型的三重态配对机制，该机制由两通道Kondo晶格模型中的Hund耦合与Kondo屏蔽之间的相互作用驱动。该机制通过亚晶格奇宇称形式因子，使原子尺度的三重态对实现离域化，形成相干的费米面超导态，从而解释了在具有反演中心对称排列的磁性离子周围出现自旋三重态超导性的原因。

ABSTRACT

Observing that several U and Ce based candidate triplet superconductors share a common structural motif, with pairs of magnetic atoms separated by an inversion center, we hypothesize a triplet pairing mechanism based on an interplay of Hund's and Kondo interactions that is unique to this structure. In the presence of Hund's interactions, valence fluctuations generate a triplet superexchange between electrons and local moments. The offset from the center of symmetry allows spin-triplet pairs formed by the resulting Kondo effect to delocalize onto the Fermi surface, precipitating superconductivity. We demonstrate this mechanism within a minimal two-channel Kondo lattice model and present support for this pairing mechanism from existing experiments.

研究动机与目标

• 解释具有相同结构特征（即磁性离子通过反演中心分隔）的U和Ce基重费米子材料中自旋三重态超导性的起源。
• 证明Hund耦合在导带电子与局域磁矩之间诱导三重态交换作用，使预先形成的三重态对能够离域化为相干超导态。
• 表明由反演对称性所允许的亚晶格奇宇称形式因子，使局域三重态对与费米面Cooper对之间实现相干耦合。
• 将该机制与现有理论区分开来，后者将Kondo屏蔽与配对过程视为解耦，而本研究强调Kondo杂化在介导三重态配对中的关键作用。
• 提供该机制的实验可探测信号，包括在Tc处可检测的价态变化以及亚晶格奇宇称的约瑟夫森干涉图案。

提出的方法

• 构建一个最小化的两通道Kondo晶格模型，包含两种不同的f轨道通道（Γ₁和Γ₂），以捕捉Hund耦合与Kondo屏蔽效应。
• 应用Schrieffer-Wolff变换，消去虚价态涨落（f¹ ⇌ f² + e⁻），生成具有三重态自旋结构的有效Kondo相互作用。
• 推导出有效Kondo哈密顿量，表明三重态分量源于Hund耦合与晶体场分裂共同作用下f²组态的量子纠缠。
• 分析所得配对对称性，显示配对势在pₖᶻ = 0处具有线节点，且d矢量沿y轴方向排列，与实验观测一致。
• 通过群论分析表明，配对波函数的亚晶格奇宇称形式因子使局域三重态对与费米面奇宇称Cooper对之间实现相干耦合。
• 预测可实验检验的信号：亚晶格奇宇称的约瑟夫森干涉图案，以及在超导转变温度附近通过低温核心能级谱学测量f价态的可测量变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在f电子体系中，Hund耦合如何在导带电子与局域磁矩之间产生三重态交换作用？
• RQ2 为何所有已知的U和Ce系三重态超导体均共享一种共同的结构特征：磁性活性离子以反演对称对的形式排列？
• RQ3 Kondo杂化在将预先形成的原子尺度三重态对离域化为宏观超导凝聚态中扮演何种角色？
• RQ4 如何将UTe₂中观测到的线节点隙结构与涉及pₖᶻ形式因子和自旋轨道耦合的自旋三重态配对机制相协调？
• RQ5 哪些实验探针可将本Hund-Kondo配对机制与基于近邻磁交换或能带各向异性的理论区分开来？

主要发现

• 两个磁性离子之间的反演中心使配对波函数具备亚晶格奇宇称形式因子，从而实现局域三重态对与费米面Cooper对之间的相干耦合。
• Hund耦合在导带电子与局域磁矩之间产生三重态超交换作用，该作用通过虚价态涨落介导，并在有效Kondo哈密顿量中得以体现。
• 该模型预测的配对势在pₖᶻ = 0处具有线节点，且d矢量沿y轴方向排列，与UTe₂中观测到的能隙结构一致。
• 自旋轨道耦合可诱导次级序参量（例如dₖ ∝ pₖʸẑ），在pₖʸ = 0处形成点节点，从而将观测到的UTe₂中点状节点与主次线节点隙结构相协调。
• 超导转变温度Tc与Kondo温度TK相当，表明Kondo屏蔽并非旁观者，而是配对的关键驱动力，该结论得到隧道谱中Fano线型及UTe₂和CeRh₂As₂中电阻率极大值的支持。
• 该机制预测了可实验探测的信号：由于第二通道Kondo杂化，Tc处f价态发生连续变化；以及可通过扫描约瑟夫森干涉显微术探测到的亚晶格奇宇称约瑟夫森干涉图案。