[论文解读] Unconventional Superconductivity from Fermi Surface Fluctuations in Strongly Correlated Metals

Haoyu Hu, Ang Cai+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2021

Surface and Thin Film Phenomena被引用 9

一句话总结

该论文提出，重费米子金属中的非传统超导性源于量子临界点处Kondo屏蔽破坏引起的费米面重构所伴随的量子涨落。通过动力学平均场理论与簇求解器技术，作者证明了局域磁矩中巨大的谱权重涨落可导致鲁棒的自旋单重态配对，其转变温度可达Kondo能标的百分之几，从而解释了CeRhIn$_5$和CeCu$_2$Si$_2$等材料中高-$T_c$超导性的成因。

ABSTRACT

In quantum materials, electrons that have strong correlations tend to localize, leading to quantum spins as the building blocks for low-energy physics. When strongly correlated electrons coexist with more weakly-correlated conduction electrons, multiple channels of effective interactions develop and compete with each other. The competition creates quantum fluctuations having a large spectral weight, with the associated entropies reaching significant fractions of $R\ln 2$ per electron. Advancing a framework to understand how the fluctuating local moments influence unconventional superconductivity is both pressing and challenging. Here we do so in the exemplary setting of heavy-fermion metals, where the amplified quantum fluctuations manifest in the form of Kondo destruction and large-to-small Fermi-surface fluctuations. These fluctuations lead to unconventional superconductivity whose transition temperature is exceptionally high relative to the effective Fermi temperature, reaching several percent of the Kondo temperature scale. Our results provide a natural understanding of the enigmatic superconductivity in a host of heavy-fermion metals. Moreover, the qualitative physics underlying our findings and their implications for the formation of unconventional superconductivity apply to a variety of highly correlated metals with strong Fermi surface fluctuations.

研究动机与目标

• 理解强关联金属中局域磁矩与传导电子共存时非传统超导性的机制。
• 填补理论框架中缺乏Kondo效应与量子临界性在非传统超导性中作用的空白。
• 解释重费米子超导体中观测到的过渡温度相对于其有效费米能标异常高的原因。
• 建立Kondo屏蔽破坏的量子临界性与鲁棒自旋单重态配对出现之间的联系。
• 将该机制推广至其他具有大费米面涨落的关联金属，包括铜氧化物和莫尔超晶格体系。

提出的方法

• 本研究采用动力学平均场理论（DMFT）方法，并结合连续时间量子蒙特卡洛（CT-QMC）簇求解器以处理强电子关联。
• 采用安德森晶格模型作为微观框架，其中传导电子与$f$-电子之间的杂化$V$受到强库仑排斥$U$的约束。
• 通过调节Kondo交换耦合$J_K \propto V^2/U$与RKKY相互作用$I$，探测Kondo屏蔽与反铁磁序之间的量子临界相变。
• 求解Bethe-Salpeter方程以识别配对顶点，重点关注异常分量$\chi_{0,\uparrow\downarrow}^{\nu_n\nu_{n'}^{\prime},kk'}$。
• 采用修正的晶格自洽条件，使用有效杂化$\Gamma_0^{\text{lat}} = 0.6\Gamma_0$以保持费米面的一致性。
• 该方法区分了Kondo屏蔽破坏（KD）与自旋密度波（SDW$_r$）量子临界点，聚焦于前者以研究非传统超导性。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于Kondo屏蔽破坏引起的费米面重构所伴随的量子涨落，如何驱动非传统超导性？
• RQ2 局域磁矩及其熵贡献在重费米子体系中实现高-$T_c$超导性中起何作用？
• RQ3 为何重费米子超导体中的转变温度可达到Kondo温度$T_K$的百分之几，而常规超导体则不能？
• RQ4 由Kondo屏蔽破坏驱动的超导机制是否可推广至其他具有大费米面涨落的强关联金属？
• RQ5 Kondo屏蔽与RKKY相互作用的竞争如何导致$f$电子的离域-局域化相变，并促进自旋单重态配对？

主要发现

• 非传统超导性可稳健地从Kondo屏蔽破坏的量子临界点中产生，其$T_c$可达Kondo温度$T_K$的百分之几。
• 在CeRhIn$_5$中，超导转变温度为$T_c \approx 2.3$ K，相对于其有效费米能标而言极为靠前。
• 超导配对凝结过程中释放的熵约为每电子$R\ln 2$的显著比例，表明自旋-$\frac{1}{2}$局域磁矩积极参与其中。
• 该机制在不同量子临界点下均表现稳健，尤其在Kondo屏蔽破坏通道中，大费米面到小费米面的重构驱动了配对。
• 该理论框架成功解释了CeCu$_2$Si$_2$及其他具有高$T_c/T_{\text{eff}}$比的重费米子体系中长期存在的超导谜题。
• 结果表明该机制对其他关联体系亦具广泛适用性，包括高温铜氧化物、有机荷电转移盐类以及莫尔异质结构，其中类似的费米面涨落可能驱动非传统配对。