[이승훈 학생, 최홍철 박사, 양범정 교수] 반강자성체의 위상 초전도 현상 발견 (Physical Review Letters 논문 게재)
Odd-parity spin-triplet superconductivity in centrosymmetric antiferromagnetic metals
강자성체(ferromagnet)에 초전도 현상이 생기면 스핀-삼중항 (spin-triplet) 상태가 기대되는 반면에 반강자성체(anti-ferromagnet)에 초전도 현상이 생기면 일반적으로 스핀-단일항 (spin-singlet) 상태가 기대된다. 이런 차이가 생기는 이유는 강자성체에서는 스핀-업, 스핀-다운 에너지띠가 갈라지면서 페르미 표면(Fermi surface)에 스핀 분극 상태(spin-polarized state)가 유도되는 반면에, 반강자성체에서는 일반적으로 스핀-업, 스핀-다운 에너지띠가 겹쳐져서 존재하여 페르미 표면에도 스핀 분극이 존재하지 않기 때문이다. 그렇다면 반강자성체에서 스핀-삼중항 초전도를 유도할 수 있는 방법은 없는가? 본 연구에서는 이 흥미로운 질문에 대한 해답을 제시한다. 일반적으로 강자성체에서 스핀 분극이 있는 이유는 스핀정렬로 시간역전대칭성이 깨지기 때문이다. 반면 반강자성체에서는 시간역전대칭성이 깨지긴 하지만 부분 병진(partial translation)과 시간역전 대칭성이 합쳐지면서 생기는 유효 시간역전대칭성(effective time-reversal symmetry)이 존재하는데, 이것이 스핀 분극이 없는 근본적인 이유다. 본 연구에서는 반강자성체의 유효 시간역전대칭성을 깨뜨리면 독특한 위상성질을 가지는 다양한 형태의 스핀-삼중항 초전도가 생김을 증명하고 이런 아이디어가 구현될 수 있는 물질군을 제안하였다.
We propose a route to achieve odd-parity spin-triplet (OPST) superconductivity in metallic collinear antiferromagnets with inversion symmetry. Owing to the existence of hidden antiunitary symmetry, which we call the effective time-reversal symmetry (eTRS), the Fermi surfaces of ordinary antiferromagnetic metals are generally spin-degenerate, and spin-singlet pairing is favored. However,by introducing a local inversion symmetry breaking perturbation that also breaks the eTRS, we can lift the degeneracy to obtain spin-polarized Fermi surfaces. In the weak-coupling limit, the spin-polarized Fermi surfaces constrain the electrons to form spin-triplet Cooper pairs with odd-parity. Interestingly, all the odd-parity superconducting ground states we obtained host nontrivial band topologies manifested as chiral topological superconductors, second-order topological superconductors, and nodal superconductors. We propose that double perovskite oxides with collinear antiferromagnetic or ferrimagnetic ordering, such as SrLaVMoO6, are promising candidate systems where our theoretical ideas can be applied to.
Authors: Seung Hun Lee (서울대, IBS CCES), Hong Chul Choi (서울대, IBS CCES), and Bohm-Jung Yang (서울대, IBS CCES)
Publication date: 10 February 2021
Link: Phys. Rev. Lett. 126, 067001 (2021) - Odd-Parity Spin-Triplet Superconductivity in Centrosymmetric Antiferromagnetic Metals (aps.org)