Unconventional properties of non-centrosymmetric superconductors

Abstract

A kinetic theory for non-centrosymmetric superconductors (NCS) is formulated for low temperatures and in the clean limit. The transport equations are solved quite generally for any kind of antisymmetric spin-orbit coupling (ASOC) in an extended momentum and frequency range. The result is a particle-hole symmetric, gauge-invariant and charge conserving description, which is used to calculate the current response, the specific heat capacity, and the Raman response function. A detailed analysis of the gauge invariance and the associated phase fluctuations of the superconducting order parameter revealed two gauge modes: the Anderson-Bogoliubov mode on the one side and a new gauge mode on the other side, which strongly depends on the symmetry of the ASOC. As application of the kinetic theory, the polarization-dependence of the T=0 electronic Raman response in NCS is studied for two important classes of ASOC with the representative systems CePt3Si and Li2PdxPt3-xB. Analytical expressions for the Raman vertices are derived, and the frequency power laws and pair-breaking peaks are calculated. A characteristic two-peak structure is predicted for NCS and might serve as an indicator for the unknown relative magnitude of the singlet and triplet contributions to the superconducting order parameter. An efficient numerical method is introduced in order to calculate the dynamical spin and charge response of CePt3Si, using an itinerant description for the electrons. With a realistic parameterization of the band structure, the nesting function, inelastic neutron scattering cross sections, and Kohn anomalies are calculated for a selected band in the normal non-magnetic state. From the spin and charge susceptibility, a superconducting pairing interaction is constructed for the weak-coupling gap equation. A sign analysis of the decoupled gap equation supports the experimental evidence of a strong triplet contribution to the order parameter in CePt3Si. In particular for this compound, it can be shown that an increasing Rashba-type of spin-orbit coupling strengthens the triplet contribution.

Eine kinetische Theorie für nicht-inversionssymmetrische Supraleiter (NCS) wird im reinen Grenzfall und für tiefe Temperaturen formuliert. Die Transportgleichungen wurden ganz allgemein für beliebige antisymmetrische Spin-Bahn-Kopplung (ASOC) und in einem erweiterten Impuls- und Frequenz-Bereich gelöst. Es ergibt sich eine Teilchen-Loch-symmetrische, eichinvariante und ladungserhaltende Beschreibung, mit deren Hilfe der Strom-Response, die spezifische Wärmekapazität und der Raman-Response berechnet wird. Eine detaillierte Betrachtung der Eichinvarianz und der dazugehörigen Phasenfluktuationen des supraleitenden Ordnungsparameters offenbart zwei Eichmoden: Einerseits die Anderson-Bogoliubov Mode und andererseits eine neue Eichmode, die stark von der Symmetrie der ASOC abhängt. Als Anwendung der kinetischen Theorie wird der polarisationsabhängige elektronische Raman-Response für T=0 in zwei wichtigen Gruppen von NCS erforscht, die sich nach der ASOC klassifizieren lassen. Vertreter dieser beiden Gruppen sind CePt3Si und Li2PdxPt3-xB. Für die Raman-Vertices werden analytische Ausdrücke hergeleitet und Potenzgesetze im Frequenzbereich sowie die Paarbrechungs-Peaks berechnet. Eine charakteristische Doppelpeak-Struktur wird für NCS vorhergesagt, die dazu dienen kann das unbekannte Verhältnis der Spin-Singulett- und Triplett-Komponente im supraleitenden Ordnungsparameter zu bestimmen. Um die dynamische Spin- und Ladungs-Suszeptibilität von CePt3Si für eine itinerante Beschreibung von Elektronen zu berechnen wird eine effiziente numerische Methode vorgestellt. Mithilfe einer realistischen Parametrisierung der Bandstruktur werden die Nesting-Funktion, Wirkungsquerschnitte für inelastische Neutronenstreuung und Kohn-Anomalien für ein ausgewähltes Band im nichtmagnetischen Normalzustand berechnet. Ausgehend von der Spin- und Ladungs-Suszeptibilität wird eine supraleitende Paarwechselwirkung für eine Gap-Gleichung in schwacher Kopplung konstruiert. Eine Vorzeichenbetrachtung der entkoppelten Gap-Gleichung stützt die experimentellen Hinweise für einen starken Triplett-Beitrag im Ordnungsparameter von CePt3Si. Speziell für diese Verbindung kann man zeigen, dass eine zunehmende Rashba-artige Spin-Bahn-Kopplung den Triplett-Beitrag stärkt.