Hydrodynamik und unkonventionelle Supraleitung in neuen topologischen Halbmetallen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dieses Projekt widmete sich der theoretischen Beschreibung des hydrodynamischen Transports und der unkonventionellen Supraleitung in neuen topologischen Halbmetallen. Bei den Materialen, die in diesem Projekt untersucht wurden, handelte es sich um Systeme mit zwei oder mehr Energiebändern, die sich an einem Fermi-Punkt berühren und die sich aufgrund ihrer Topologie von den bekannten Weyl-Halbmetallen und Graphen unterscheiden. Kandidaten für diese Materialien sind Luttinger Halbmetalle wie GaAs, HgTe und alpha-Sn. Diese Metalle haben aufgrund einer starken Spin-Bahn Kopplung eine parabolische Energiedispersion und einen Gesamtdrehimpuls von J=3/2. Eine weitere Materialklasse sind Rarita-Schwinger-Weyl-Halbmetalle (RSW) wie die antiperovskitschen Materialien, die eine lineare Energiedispersion aufweisen und auch einen Gesamtdrehimpuls von J=3/2 besitzen. In diesem Projekt werden die Transporteigenschaften dieser neuen Halbmetalle sowohl im hydrodynamischen als auch im supraleitenden Regime untersucht. Ein Schwerpunkt liegt hierbei auf der Untersuchung der Scherviskosität der Elektronenflüssigkeit in Luttinger Halbmetalle im hydrodynamischen Regime. Das hydrodynamische Regime ist besonders, da die physikalischen Prozesse durch die Coulomb-Wechselwirkung zwischen Elektronen und Löchern bestimmt wird. Effekte aufgrund der Kopplung an Schwingungsfreiheitsgrade des Gitters und der Einfluß von Defekten des Gitters können in diesem Regime vernachlässigt werden. Wir konnten zeigen, dass Luttinger Halbmetalle eine fast perfekte Flüssigkeit sind und stark wechselwirken, da das Verhältins der Scherviskosität zur Entropie sich der unteren Grenze dieses Verhältnisses nähert, die von Kovtun, Son und Starinets eingeführt wurde. Desweiteren untersuchten wir unkonventionelle Supraleitung in Luttinger-Halbmetallen, Rarita-Schwinger-Weyl-Halbmetallen und Tripelpunkt-Fermionen mit einem Gesamtdrehimpuls von J=1, indem wir mit Hilfe der Ginzburg-Landau-Theorie die freie Energie dieser Systeme bestimmten. Aufgrund des großen Drehimpulses der Quasiteilchen kann unkonventionelle und topologische Supraleitung, wie d-Wellen (p-Wellen) Supraleitung, auftreten, was zu einer Konkurrenz zwischen neuen und exotischen Zuständen führt. Wir konnten zeigen, dass im d-Wellen-Kanal der supraleitende Grundzustand von RSW-Halbmetallen mit einem endlichen chemischen Potential der „zyklische Zustand“ ist. Dieser bricht die Zeitumkehrsymmetrie maximal und weist einen verschwindenden Mittelwert der Magnetisierung auf. Für Tripelpunkt-Fermionen finden wir jedoch eine Konkurrenz zwischen den beiden Zuständen, die die Zeitumkehrsymmetrie maximal brechen, nämlich dem ferromagnetischen Zustand mit maximaler Magnetisierung und dem „zyklischen Zustand“. Abhängig von der Krümmung der Energiebänder wird nur einer der maximal Zeitumkehr brechenden Zustände stabilisiert. Daher sind die Tripelpunkt- Fermionen das erste System (nach unserem besten Wissen), das eine solche Möglichkeit aufweist. Weiterhin haben wir das komplizierte Phasendiagramm für die Luttinger-Halbmetalle im p-Wellen-Kanal bestimmt, welches für teilchen- und lochdotierte Systeme unterschiedlich ist. Bei der Untersuchung der d-Wellen-Supraleitung in RSW-Systemen sagten wir die Existenz von Bogoliubov-Fermi-Oberflächen (BFS) in nicht-zentrosymmetrischen Supraleitern voraus, was überraschend war, da die angenommene notwendige Bedingung für die Existenz von BFS die Inversionssymmetrie des Systems war. Wir konnten die Entstehung von BFSs in nichtzentrosymmetrischen Multiband-Supraleitern mit der Verschiebung von Energiebändern aufgrund eines pseudomagnetischen Felds erklären. Darüber hinaus haben wir die Stabilität von BFSs in zentrosymmetrischen Systemen gegenüber Inversionssymmetriebrechung untersucht und eine Instabilität in der Art und Weise festgestellt, dass die BFSs nur teilweise aufgegappt, deformiert und in der Größe reduziert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Bogoliubov-Fermi surfaces in non-centrosymmetric multi-component superconductors, Phys. Rev. Lett. 125, 237004 (2020)
J. M. Link and I. F. Herbut
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d-wave superconductivity and Bogoliubov-Fermi surfaces in Rarita-Schwinger-Weyl semimetals, Phys. Rev. B 101, 184503 (2020)
J. M. Link, I. Boettcher, and I. F. Herbut
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Hydrodynamic transport in the Luttinger-Abrikosov-Beneslavskii non-Fermi liquid, Phys. Rev. B 101, 125128 (2020)
J. M. Link and I. F. Herbut
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Bogoliubov-Fermi surface with inversion symmetry and electron-electron interactions: relativistic analogies and lattice theory, Phys. Rev. B 103, 144517 (2021)
I. F. Herbut and J. M. Link
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Time-reversal symmetry breaking and d-wave superconductivity of triple-point fermions, Phys. Rev. B 104, 134512 (2021)
S. Mandal, J. M. Link, and I. F. Herbut
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p-wave superconductivity in Luttinger semimetals, Phys. Rev. B 105, 134522 (2022)
J. M. Link and I. F. Herbut
