Spontaneous parity-breaking p + is superconductivity from two pairing mechanisms

Abstract

We investigate the superconducting state in materials near a ferromagnetic instability, with active singlet and triplet pairing channels. While the ferromagnetic spin fluctuations provide the dominant pairing interaction in the triplet p-wave channel, the singlet channel is provided by an active electron-phonon interaction that induces an s-wave pairing instability. A group-theoretical analysis indicates that p-wave and s-wave states are mutually exclusive unless the system inherently lacks inversion symmetry. Consequently, in inversion-symmetric systems, the superconducting state would need to spontaneously break additional symmetries to support a coexistence between two parity distinct phases. In this dissertation we analyse an inversion-symmetric system with two active, although competing, pairing mechanisms. Our findings show that if the triplet instability is dominant, the superconducting state undergoes a double transition. Initially, the normal state condenses into the dominant p-wave state, as expected. However, at a lower temperature, the subdominant singlet pairing channel develops a s-wave component, turning the p-wave phase into a spontaneously parity-broken chiral p + is state. Thus, we demonstrate the existence of a mixed-parity multicomponent superconducting phase at zero magnetic field, without the need for non-centrosymmetry or spin-orbit coupling. These conditions are rather general, and we discuss potential canditates that may host this behaviour.

Investigamos o estado supercondutor em materiais próximos a uma instabilidade ferromagnética, considerando canais ativos de pareamento singleto e tripleto. Enquanto as flutuações de spin ferromagnéticas fornecem a interação dominante no canal tripleto, favorecendo uma fase supercondutora do tipo onda p, o canal singleto é induzido pela interação elétron-fônon, gerando uma instabilidade do tipo onda s. Uma análise baseada em teoria de grupos indica que as fases p e s são mutuamente excludentes, a menos que o sistema não possua simetria de inversão. Consequentemente, para que o sistema exiba uma fase de coexistência entre estados de paridade distinta, ele teria que espontaneamente quebrar simetrias adicionais. Nessa dissertação, analisamos um sistema com simetria de inversão, mas com dois canais de pareamento ativos, embora concorrentes. Nossos resultados mostram que, se a instabilidade do tipo tripleto for dominante, o sistema sofrerá duas transições supercondutoras. Inicialmente, o estado normal condensa no canal do tipo onda p, uma vez que esse é o canal dominante. No entanto, a uma temperatura mais baixa, o canal singleto subdominante desenvolve uma componente do tipo onda s, convertendo a fase do tipo onda p em uma fase quiral p + is, que espontaneamente quebra a simetria de paridade. Dessa forma, demonstramos a existência de fases supercondutoras que quebram a simetria de paridade a campo magnético nulo, sem a necessidade de considerar sistemas não-centrosimétricos ou acoplamento spin-órbita. Também discutimos potenciais candidatos que possam exibir esse tipo de comportamento.