[論文レビュー] Helical Majorana modes in iron based Dirac superconductors

Elio J. König, Piers Coleman|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2019

Topological Materials and Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、3次元ディラック・コーンの電子的構造とC₄対称性によって保護される、トポロジカルに保護された1次元フェルミオンであるヘリカル・マヨラナモードが、リチウム鉄ヒ素系超伝導体Li(Fe₁₋ₓCoₓ)Asのストリング・コアに出現しうることを提案する。この出現は、正常状態のベリー曲率におけるモノポールと関連づけられ、導出されたトポロジカル指数によって記述されており、トポロジカル量子計算のためのプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

We propose that propagating one-dimensional Majorana fermions will develop in the vortex cores of certain iron-based superconductors, most notably Li(Fe$_{1-x}$Co$_x$)As. A key ingredient of this proposal are the 3D Dirac cones recently observed in ARPES experiments [P. Zhang et al., Nat. Phys. extbf{15}, 41 (2019)]. Using an effective Hamltonian around the $\Gamma-Z$ line we demonstrate the development of gapless one-dimensional helical Majorana modes, protected by $C_4$ symmetry. A topological index is derived which links the helical Majorana modes to the presence of monopoles in the Berry curvature of the normal state. We present various experimental consequences of this theory and discuss its possible connections with quantum information applications and cosmic strings.

研究の動機と目的

• 鉄系超伝導体のストリング・コアに1次元ヘリカル・マヨラナモードが出現する条件を特定すること。
• 正常状態のベリー曲率におけるモノポールとマヨラナモードの存在を結びつけるトポロジカル不変量を確立すること。
• ARPES実験で観測された3次元ディラック・コーンを、超伝導ストリング内のマヨラナフェルミオンの出現と結びつけること。
• トポロジカル量子情報および宇宙物理学への応用可能性を探索すること。

提案手法

• Li(Fe₁₋ₓCoₓ)Asの低エネルギー電子的構造をモデル化するため、ブリユアンゾーンのΓ–Z高対称性ライン周辺に有効ハミルトニアンを構築する。
• 対称性解析を用いて、C₄回転対称性がストリングコア内のギャップなしヘリカル・マヨラナモードの存在を保護することを示す。
• 正常状態におけるベリー曲率に基づくトポロジカル指数を導出し、それによって基礎となるトポロジカル秩序の兆候を特定する。
• 有効ハミルトニアンを用いてストリングコア状態を解析し、ゼロエネルギーのマヨラナモードの形成を示す。
• トンネル分光法における非局所的アンドレーエフ反射や量子化された熱伝導度といった実験的シグナルを予測する。
• 非アーベル統計を介した量子情報への接続と、場の理論における類似性を通じた宇宙的ストリングへの関連を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元ディラック・コーンを持つ鉄系超伝導体のストリングコアにヘリカル・マヨラナモードを安定化させることは可能か？
• RQ2 これらのマヨラナモードの存在を保護する対称性は何か？ また、それらは系のトポロジーとどのように関係するか？
• RQ3 マヨラナモードの存在が、正常状態のベリー曲率におけるモノポールと数学的にどのように関連するか？
• RQ4 これらのモードを自明な束縁状態から区別するための測定可能な実験的シグナルは何か？
• RQ5 このメカニズムは、トポロジカル量子計算および宇宙論的アナロジーにどのような意味を持つのか？

主な発見

• Li(Fe₁₋ₓCoₓ)Asのような鉄系超伝導体のストリングコアに、3次元ディラック・コーンとC₄対称性の相互作用によってヘリカル・マヨラナモードが出現する。
• これらのモードの存在は、ベリー曲率から導出されたトポロジカル不変量によって保護されており、運動量空間におけるモノポール的構造を検出可能である。
• トポロジカル指数は、明示的にマヨラナモードの存在と正常状態のバンド構造のトポロジーを結びつける。
• モデルは、量子化された熱伝導度と非局所的輸送シグナルを、マヨラナモードの実験的シグナルとして予測する。
• この系は、トポロジカル量子計算に必要な非アーベル統計を実現するためのプラットフォームを提供する。
• ベリー曲率のモノポールが示す共通のトポロジカル構造を通じて、宇宙的ストリングとの類似性が示唆される。