Interaction-driven Unconventional Superconductivity in Correlated Multiferroics

Thumbnail Image

Files

master_Kaskela_Vilja_2023.pdf (10.67 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2023-03-21

Department

Major/Subject

Materials Physics and Quantum Technology

Mcode

SCI3107

Degree programme

Master’s Programme in Engineering Physics

Language

en

Pages

31+0

Series

Abstract

This master's thesis studies theoretically the interacting superconducting multiferroic honeycomb lattice. Different analytical and numerical tools are applied to the interacting system to seek out the possible superconducting multiferroic state driven solely by interactions. As the aim is to produce simultaneously existing electric, magnetic and superconducting orders, they are first studied individually in order to understand how each interaction drives a specific broken symmetry order. Then different combinations of two simultaneous interactions are examined. Finally, all three orders are sought out together by having three different interactions simultaneously in the lattice. As an important point, the lattice is doped from quarter-filling to achieve a metallic state and thus allow the lattice to interact via second-neighbor attractive interaction and drive it towards superconductivity. The interacting system was constructed and solved using a Python library designed for the exact purpose of computing quantum-lattice tight binding models. The library self-consistently solves the interacting Hamiltonian using mean-field analysis, producing analyzable data. The results are studied via the analysis of bandstructures and broken symmetry order parameters and their phase diagrams. A gap opening in a bandstructure indicates a present broken symmetry order. More precisely, this gap can be used to indicate the presence of superconductivity. The results show that there indeed exists a superconducting state in the interacting multiferroic honeycomb lattice with features pointing towards f-wave superconductivity. The system shows strong coupling between the multiferroic and superconducting orders.

Tämä diplomityö tutkii teoreettisesti vuorovaikuttavaa hunajakennohilaa, jossa esiintyy suprajohteisuutta ja multiferroisuutta samanaikaisesti. Työ käyttää erilaisia analyyttisia ja numeerisia työkaluja mahdollista multiferroista suprajohdetilaa etsittäessä. Kyseinen suprajohdetila multiferroisessa hunajakennohilassa yritetään saada esiintymään pelkästään vuorovaikutusten avulla. Tavoitteena on tuottaa samanaikaisesti esiintyvät rikkonaisen symmetrian tilat, joihin tässä tapauksessa mukaan luetaan magneettinen, sähköinen ja suprajohtava järjestys. Jokainen rikkonaisen symmetrian järjestys tutkitaan ensin yksitellen, sillä systeemiin tuodut vuorovaikutukset ohjaavat kukin tiettyä järjestystä. Näin pystytään ymmärtämään, miten kukin järjestys ilmenee ensin yksin, ja myöhemmin yhdessä muiden järjestysten kanssa samanaikaisesti. Lopuksi kaikki kolme rikkonaisen symmetrian järjestystä saadaan esiintymään hilarakenteessa samanaikaisesti kolmen eri vuorovaikutuksen tuloksena. Hilarakenteen täyttöastetta muunnetaan neljännestäytetystä hilasta hieman matalammaksi, jotta systeemistä saadaan metallinen. Tämä mahdollistaa siten hilassa esiintyvän toisen naapurin vetävän vuorovaikutuksen, ajaen systeemiä suprajohtavuutta kohti. Vuorovaikutteinen järjestelmä rakennettiin ja ratkaistiin käyttämällä pyqula-nimistä Python-kirjastoa, joka on rakennettu juurikin kvanttihilojen tiukasti sidottujen mallien laskemiseksi ja ratkaisemiseksi. Kirjasto ratkaisee vuorovaikuttavan Hamiltonin operaattorin keskeiskenttäteoriaa hyödyntäen, tuottaen tutkittavaa dataa. Työn tulokset analysoidaan hilojen vyörakenteiden sekä rikkoutuneiden symmetrioiden järjestysparametrien faasikaavioiden avulla. Vyörakenteiden avulla voidaan tunnistaa aukkotilat, jotka toimivat indikaattorina rikkoutuneen symmetrian läsnäolosta. Tarkemmin sanottuna, aukko vyörakenteessa voi itsessään tarkoittaa suprajohtavuutta hilarakenteessa. Tulokset osoittavat suprajohtavan tilan olemassaolon multiferroisessa hunajakennohilarakenteessa. Tilan piirteet osoittavat kohti f-aaltoista suprajohtavuutta. Systeemin järjestysparametrien kytkentöjä tutkiessa hilarakenteen järjestykset osoittavat vahvaa kytkentää multiferroisten ja suprajohtavien järjestysten välillä.

Description

Supervisor

Lado, Jose

Thesis advisor

Fumega, Adolfo

Keywords

superconductivity, multiferroics, interacting honeycomb lattice, symmetry breaking

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202303262521

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI