Elements of the Microscopic Origins of Time-Reversal Symmetry Breaking in Phase-Frustrated Multiband Superconductors
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/2785598Utgivelsesdato
2021Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for fysikk [2772]
Sammendrag
En rekke teoretiske og eksperimentelle studier har blitt publisert som følge av oppdagelsen av superledning i materialene ved navn jernpniktider. Med disse oppdagelsene som motivasjon og et mål om å utvide den teoretiske forståelsen av jernpniktidene undersøker vi en superleder med tre energibånd som krysser Fermiflaten på middelfeltnivå. På grunn av muligheten for kvantetilstander som bryter tidsinversjonssymmetri og for spontant genererte lokale magnetfelt legger vi i denne oppgaven spesiell vekt på å forstå det mikroskopiske opphavet til fasefrustrasjon forårsaket av konkurrerende interne Josephsonkoblinger i superledere. Ved å utlede generaliserte gapligninger og fri energi demonstrerer vi at tre eller flere energibånd i tillegg til visse vilkår for Josephsonkoblingskonstantene og intrabåndpotensialene er nødvendige for å få fasefrustrasjon. Vi viser så at enkelte generelle kombinasjoner av de mikroskopiske teoriparametrene kan føre til tidsinversjonssymmetribrudd og et analytisk uttrykk som forklarer et tidligere fenomenologisk utledet resultat vises før vi går videre til numeriske beregninger. Vi presenterer noen resultater rundt når en får tidsinversjonssymmetribrudd. Disse ligner andre studiers resultater, men denne gangen finnes de ved å variere mikroskopiske parametre og gjennom å løse gapligningene direkte. Til slutt modellerer vi hvordan en ved å øke det kjemiske potensialet kan få en superleder til å gå fra to bånd uten fasefrustrasjon til tre bånd og en tidsinversjonssymmetrybrytende tilstand og viser derved hvordan tilstandstettheten ved Fermiflaten og det å ha mer enn to bånd spiller nøkkelroller i de nye superledende tilstandene observert i jernpniktider. Following the discovery of multiband superconductivity in the class of materials knows as iron pnictides, a series of theoretical and experimental studies have been published. Motivated by these discoveries and seeking to expand the theoretical understanding of the iron pnictides, we investigate a superconductor with three bands crossing the Fermi surface using mean-field theory. In this thesis, special emphasis is placed on understanding the microscopic origins of phase frustration arising with competing Josephson couplings internal to the superconductor because phase-frustrated superconductors can in some cases enter quantum states which break time-reversal symmetry and have spontaneous local magnetism. By deriving the generalized gap equations and free energy, we find that it is crucial to have three or more bands and that certain conditions must be met by the Josephson couplings and intraband potentials for there to be phase frustration. Some general combinations of microscopic parameters are shown to be able to lead to time-reversal symmetry breaking, and an analytical expression explaining some previous phenomenologically derived results is derived before performing numerical calculations. We find some numerical results regarding the onset of time-reversal symmetry breaking which are similar to previous studies, now through varying microscopic parameters and solving the gap equations directly. Finally, we model tuning the chemical potential, making the superconductor go from two to three bands and a time-reversal symmetry breaking state, thus giving a demonstration of how the densities of states at the Fermi surface and having three or more bands are key to the novel superconducting states in the iron pnictides.