Anomalous Coherence Length in Superconductors with Quantum Metric
Abstract: The coherence length $\xi$ is the fundamental length scale of superconductors which governs the sizes of Cooper pairs, vortices, Andreev bound states, and more. In BCS theory, the coherence length is $\xi_\mathrm{BCS} = \hbar v_{F}/\Delta$, where $v_{F}$ is the Fermi velocity and $\Delta$ is the pairing gap. It is clear that increasing $\Delta$ will shorten $\xi_\mathrm{BCS}$. In this work, we show that the quantum metric, which is the real part of the quantum geometric tensor, gives rise to an anomalous contribution to the coherence length. Specifically, $\xi = \sqrt{\xi_\mathrm{BCS}2 +\ell_{\mathrm{qm}}{2}}$ for a superconductor where $\ell_{\mathrm{qm}}$ is the quantum metric contribution. In the flat-band limit, $\xi$ does not vanish but is bound below by $\ell_{\mathrm{qm}}$. We demonstrate that under the uniform pairing condition, $\ell_{\mathrm{qm}}$ is controlled by the quantum metric of minimal trace in the flat-band limit. Physically, the Cooper pair size of a superconductor cannot be squeezed down to a size smaller than $\ell_{\mathrm{qm}}$ which is a fundamental length scale determined by the quantum geometry of the wave functions. Lastly, we compute the quantum metric contributions for the family of superconducting moir\'{e} graphene materials, demonstrating the significant role played by quantum metric effects in these narrow-band superconductors.
- J. Bardeen, L. N. Cooper, and J. R. Schrieffer, Phys. Rev. 106, 162 (1957).
- J. P. Carbotte, Rev. Mod. Phys. 62, 1027 (1990).
- M. Sigrist and K. Ueda, Rev. Mod. Phys. 63, 239 (1991).
- G. R. Stewart, Rev. Mod. Phys. 56, 755 (1984).
- S. Peotta and P. Törmä, Nature Communications 6, 8944 (2015), arXiv:1506.02815 [cond-mat.supr-con] .
- P. Törmä, S. Peotta, and B. A. Bernevig, Nat. Rev. Phys. 4, 528–542 (2022).
- M. Iskin, Phys. Rev. A 97, 013618 (2018a), arXiv:1710.07495 [cond-mat.quant-gas] .
- M. Iskin, Phys. Rev. A 97, 033625 (2018b), arXiv:1801.09388 [cond-mat.quant-gas] .
- M. Iskin, Phys. Rev. A 97, 063625 (2018c), arXiv:1711.07262 [cond-mat.quant-gas] .
- R. Mondaini, G. G. Batrouni, and B. Grémaud, Phys. Rev. B 98, 155142 (2018), arXiv:1805.09359 [cond-mat.str-el] .
- M. Iskin, Phys. Rev. A 99, 023608 (2019), arXiv:1902.10897 [cond-mat.quant-gas] .
- N. Verma, T. Hazra, and M. Randeria, Proceedings of the National Academy of Science 118, e2106744118 (2021), arXiv:2103.08540 [cond-mat.supr-con] .
- D. Mao and D. Chowdhury, arXiv e-prints , arXiv:2304.07318 (2023), arXiv:2304.07318 [cond-mat.supr-con] .
- J. S. Hofmann, E. Berg, and D. Chowdhury, Phys. Rev. Lett.  130, 226001 (2023), arXiv:2204.02994 [cond-mat.str-el] .
- S. A. Chen and K. T. Law, to appear in PRL , arXiv:2303.15504 (2023), arXiv:2303.15504 [cond-mat.supr-con] .
- J. P. Provost and G. Vallee, Communications in Mathematical Physics 76, 289 (1980a).
- M. V. Berry, Proceedings of the Royal Society of London Series A 392, 45 (1984).
- K. v. Klitzing, G. Dorda, and M. Pepper, Phys. Rev. Lett. 45, 494 (1980).
- J. Bellissard, A. van Elst, and H. Schulz-Baldes, Journal of Mathematical Physics 35, 5373 (1994), arXiv:cond-mat/9411052 [cond-mat] .
- M. Z. Hasan and C. L. Kane, Rev. Mod. Phys. 82, 3045 (2010).
- X.-L. Qi and S.-C. Zhang, Rev. Mod. Phys. 83, 1057 (2011).
- M. V. Berry, in Geometric phases in physics, edited by A. Shapere and F. Wilczek (World scientific, Singapore, 1989) Chap. 1, pp. 1–28.
- A. Bouhon, A. Timmel, and R.-J. Slager, arXiv e-prints , arXiv:2303.02180 (2023), arXiv:2303.02180 [cond-mat.mes-hall] .
- J. Anandan and Y. Aharonov, Phys. Rev. Lett. 65, 1697 (1990).
- R. Resta, European Physical Journal B 79, 121 (2011), arXiv:1012.5776 [cond-mat.mtrl-sci] .
- N. Marzari and D. Vanderbilt, Phys. Rev. B 56, 12847 (1997), arXiv:cond-mat/9707145 [cond-mat.mtrl-sci] .
- J. F. Annett, Superconductivity, superfluids and condensates, Vol. 5 (Oxford University Press, 2004).
- J. P. Provost and G. Vallee, Communications in Mathematical Physics 76, 289 (1980b).
- J. Mitscherling and T. Holder, Phys. Rev. B 105, 085154 (2022), arXiv:2110.14658 [cond-mat.mes-hall] .
- R. Bistritzer and A. H. MacDonald, Proceedings of the National Academy of Science 108, 12233 (2011), arXiv:1009.4203 [cond-mat.mes-hall] .
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.