Tilman Schwemmer

• Relativistic effects crucially influence the fundamental properties of many quantum materials. In the accelerated reference frame of an electron, the electric field of the nuclei is transformed into a magnetic field that couples to the electron spin. The resulting interaction between an electron spin and its orbital angular momentum, known as spin-orbit coupling (SOC), is hence fundamental to the physics of many condensed matter phenomena. It is particularly important quantitatively in low-dimensional quantum systems, where its coexistence withRelativistic effects crucially influence the fundamental properties of many quantum materials. In the accelerated reference frame of an electron, the electric field of the nuclei is transformed into a magnetic field that couples to the electron spin. The resulting interaction between an electron spin and its orbital angular momentum, known as spin-orbit coupling (SOC), is hence fundamental to the physics of many condensed matter phenomena. It is particularly important quantitatively in low-dimensional quantum systems, where its coexistence with inversion symmetry breaking can lead to a splitting of spin degeneracy and spin momentum locking. Using the paradigm of Landau Fermi liquid theory, the physics of SOC can be adequately incorporated in an effective single particle picture. In a weak coupling approach, electronic correlation effects beyond single particle propagator renormalization can trigger Fermi surface instabilities such as itinerant magnetism, electron nematic phases, superconductivity, or other symmetry broken states of matter. In this thesis, we use a weak coupling-based approach to study the effect of SOC on Fermi surface instabilities and, in particular, superconductivity. This encompasses a weak coupling renormalization group formulation of unconventional superconductivity as well as the random phase approximation. We propose a unified formulation for both of these two-particle Green’s function approaches based on the notion of a generalized susceptibility. In the half-Heusler semimetal and superconductor LuPtBi, both SOC and electronic correlation effects are prominent, and thus indispensable for any concise theoretical description. The metallic and weakly dispersive surface states of this material feature spin momentum locked Fermi surfaces, which we propose as a possible domain for the onset of unconventional surface superconductivity. Using our framework for the analysis of Fermi surface instability and combining it with ab-initio density functional theory calculations, we analyse the surface band structure of LuPtBi, and particularly its propensity towards Cooper pair formation. We study how the presence of strong SOC modifies the classification of two-electron wave functions as well as the screening of electron-electron interactions. Assuming an electronic mechanism, we identify a chiral superconducting condensate featuring Majorana edge modes to be energetically favoured over a wide range of model parameters.…
• Relativistische Effekte bestimmen die Eigenschaften vieler Quantenmaterialien entscheidend. Im beschleunigten Bezugssystem eines Elektrons transformiert sich das elektrische Feld des Kerns in ein Magnetfeld, welches an den Spin des Elektrons koppelt. Die resultierende Wechselwirkung zwischen dem Spin eines Elektrons und seinem Bahndrehimpuls, bekannt als Spin-Bahn-Kopplung (engl. spin-orbit coupling SOC), ist für viele Phänomene der kondensierten Materie von grundlegender Bedeutung. In niedrigdimensionalen Quantensystemen, wo die Koexistenz vonRelativistische Effekte bestimmen die Eigenschaften vieler Quantenmaterialien entscheidend. Im beschleunigten Bezugssystem eines Elektrons transformiert sich das elektrische Feld des Kerns in ein Magnetfeld, welches an den Spin des Elektrons koppelt. Die resultierende Wechselwirkung zwischen dem Spin eines Elektrons und seinem Bahndrehimpuls, bekannt als Spin-Bahn-Kopplung (engl. spin-orbit coupling SOC), ist für viele Phänomene der kondensierten Materie von grundlegender Bedeutung. In niedrigdimensionalen Quantensystemen, wo die Koexistenz von SOC und Inversionssymmetriebrechung zu einer Aufspaltung der Spinentartung und Kopplung des Spins an den Impulsfreiheitsgrad führen kann, besonders wichtig. Mit dem Paradigma von Landaus Fermi-Flüssigkeits-Theorie lässt sich die Physik des SOC in einem effektiven Ein-Teilchenbild gut modellieren. Ausgehend von einem schwach gekoppelten Bild können elektronische Korrelationseffekte, die über diese einfache Theorie hinausgehen, eine Instabilität der Fermi-Fläche auslösen, die zu Magnetismus, elektronisch-nematischen Phasen, Supraleitung oder anderen symmetriegebrochenen Materialzuständen führt. In dieser Dissertation verwenden wir einen auf schwacher Kopplung basierenden Ansatz, um die Wirkung von SOC auf Instabilitäten der Fermi-Fläche und insbesondere auf Supraleitung zu untersuchen. Wir betrachten eine störungstheoretische Renormierungsgruppenformulierung für unkonventionellen Supraleitung die Random-Phase-Approximation (RPA). Auf Grundlage der verallgemeinerten Suszeptibilität entwickeln wir eine einheitliche Formulierung für diese beiden Ansätze. Im Halb-Heusler-Halbmetall und Supraleiter LuPtBi sind sowohl SOC- als auch elektronische Korrelationseffekte für jede theoretische Beschreibung von großer Bedeutung. Der metallische und schwach dispersive Oberflächenzustand dieses Materials weist Fermi-Flächen mit gekoppeltem Spin und Impuls auf, die wir als mögliche Domäne für den Beginn unkonventioneller Oberflächensupraleitung vorschlagen. Wir kombinieren ab-initio Dichtefunktionaltheorieberechnungen für die Oberflächenbandstruktur von LuPtBi mit der Renormierungsgruppe und der RPA für eine Analyse der Fermi-Oberflächeninstabilitäten and der Kristalloberfläche. Wir untersuchen, wie die Existenz von starkem SOC die Klassifizierung von Zwei-Elektronen-Wellenfunktionen sowie die Abschirmung von Elektron-Elektronen-Wechselwirkungen modifiziert. Unter der Annahme eines elektronischen Mechanismus identifizieren wir ein chirales supraleitendes Kondensat mit Majorana-Randmoden, das über einen weiten Bereich von Modellparametern energetisch begünstigt ist.…