[論文レビュー] Classification of the Super-conducting order parameters under the point group symmetry for a multi-band system: application to LaOFeAs

Zhi‐Hui Wang, Hui Tang+2 more|ArXiv.org|May 6, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、全点群対称性 $D_{4h}$ の下で、多バンド鉄系超伝導体 LaOFeAs の超伝導秩序パラメータを群論を用いて分類し、3種類の異なるギャップ関数タイプ（完全ギャップ、節を持つ、有限な「フェルミアーク」タイプ）を特定する。分類の結果、特に s 波および $d_{x^2-y^2}$-波の相互バンド対称状態は、バンド分裂の程度に応じて「フェルミアーク」行動を示す可能性があることが明らかになった。一方、スピン三重項状態（BW および ABM 相）は、節やアークを示す混合ギャップ構造を示す可能性がある。

ABSTRACT

All the possible super-conducting order parameters for the LaOFeAs system are classified by their transformation under the complete crystal symmetry. The general forms of the super-conducting gap functions for each class are discussed. We find that the gap functions in such a multi-band system belong to three types, full gap, nodal type and finite {}``Fermi arc'' type. Possible physical consequences caused by different types of gap functions are also discussed.

研究の動機と目的

• LaOFeAs の完全な結晶対称性（時間反転、逆格子、点群操作を含む）に基づいて、すべての可能な超伝導秩序パラメータを体系的に分類すること。
• 多バンド系としての $D_{4h}$ 点群対称性下での超伝導ギャップ関数の既約表現を特定すること。
• スレーター状態と三重項状態の両方のペアリングチャンネルにおけるギャップ関数の一般形および対称性性質を分析すること。
• 完全ギャップ、節、および「フェルミアーク」ギャップ行動の区別と、鉄系超伝導体における物理的意味を明らかにすること。
• ギャップ構造および低温熱力学的性質に関する実験データを解釈する理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• LaOFeAs の $D_{4h}$ 点群対称性下で超伝導秩序パラメータを分類するために群表現理論を適用する。
• 第一原理計算を用いてフェルミ面のトポロジーを特定し、特に M 点付近の2つの電子的パケット（楕円形形状および強い軌道異方性を示す）に注目する。
• ブロッホ状態を滑らかな運動量空間の接続を持つように定義し、フェルミ面全域で一貫したバンドラベル付けを実現する。
• $D_{4h}$ の既約表現に従ってペアリング状態を分類し、スピン singlet とスピン triplet チャンネルを区別する。
• 各既約表現におけるギャップ関数構造を分析し、特に相互バンド s 波、$d_{x^2-y^2}$-波、および三重項状態（BW および ABM 相）に注目する。
• 特に三重項状態において、内部バンドおよび相互バンドペアリング成分の相互作用を検討し、『フェルミアーク』や節構造を示す混合ギャップ行動を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LaOFeAs における $D_{4h}$ 点群対称性が許容する超伝導秩序パラメータの完全な集合は何か？
• RQ2 異なる既約表現のギャップ関数はフェルミ面全域でどのように振る舞い、そのトポロジカル特徴は何か？
• RQ3 多バンド超伝導体において、完全ギャップ、節、および「フェルミアーク」ギャップ関数の間で物理的にどのような違いが生じるか？
• RQ4 三重項超伝導状態における内部バンドおよび相互バンドペアリング成分の混合は、どのようにしてギャップ構造を形成するか？
• RQ5 各ギャップ関数タイプに特徴的な低温熱力学的シグネチャ（例：比熱、超伝導密度）は何か？

主な発見

• LaOFeAs の超伝導秩序パラメータは、その対称性および運動量空間的構造に基づき、3種類に分類される：完全ギャップ、節、および有限な「フェルミアーク」ギャップ関数。
• オーダーパラメータ $i\sigma_2[\vec{e}_z(x^2+y^2)]$ を持つ相互バンド s 波ペアリングは、バンド分裂がペアリング振幅と同等の大きさである場合に「フェルミアーク」行動を示すが、それ以外の場合は完全ギャップを示す。
• 相互バンド $d_{x^2-y^2}$-波状態は、フェルミ面の対角方向に常に「フェルミアーク」特徴を示す。
• $A_{1u}$ 三重項表現には BW 相が含まれており、内部バンドおよび相互バンド成分と混合する可能性があり、その結果として節や「フェルミアーク」構造が生じる可能性がある。
• $E_u$ 表現には ABM 相が含まれており、相互バンドペアリングが存在する場合には「フェルミアーク」特徴を示す混合状態を形成する可能性がある。
• 「フェルミアーク」ギャップ関数の存在は、フェルミ準位における残余状態密度を生じさせ、超伝導状態における低エネルギー準位のクーパー対の実験的観測を説明する可能性がある。