[論文レビュー] Higher-order topological superconductivity: possible realization in Fermi gases and Sr$_2$RuO$_4$

Zhigang Wu, Zhongbo Yan+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、層内でのキラル p 波対称性の超伝導と、調整可能な層間 s 波または d 波対称性の超伝導を有する二層スピン極化フェルミガスにおいて、2次元位相的超伝導を実現するためのプラットフォームを提案する。本稿は、メジャナナ零モードがコーナーだけでなく、超流動ドメインウォールや線状欠陥などの1次元的欠陥の端にも出現することを示し、層間結合と対称性の調整によって位相を制御可能であることを示している。

ABSTRACT

We propose to realize second-order topological superconductivity in bilayer spin-polarized Fermi gas superfluids. We focus on systems with intralayer chiral $p$-wave pairing and with tunable interlayer hopping and interlayer interactions. Under appropriate circumstances, an interlayer even-parity $s$- or $d$-wave pairing may coexist with the intralayer $p$-wave. Our model supports localized Majorana zero modes not only at the corners of the system geometry, but also at the terminations of certain one-dimensional defects, such as lattice line defects and superfluid domain walls. We show how such topological phases and the Majorana zero modes therein can be manipulated in a multitude of ways by tuning the interlayer pairing and hopping. Generalized to spinful systems, we further propose that the putative $p$-wave superconductor Sr$_{2}$RuO$_{4}$, when subject to uniaxial strains, may also realize the desired topological phase.

研究の動機と目的

• 超低温フェルミガスにおいて、調整可能な層間結合および対称性を有する高次位相的超伝導（HOTSC）を実現するための新しいプラットフォームを提案すること。
• メジャナナ零モード（MZMs）がコーナーおよび超流動ドメインウォールや線状欠陥などの1次元的位相的欠陥の端に出現しうることを示すこと。
• 層間ハッピングと対称性の調整によって、位相を動的に制御可能であり、実験的条件下でMZMsを操作可能であることを示すこと。
• 歪みを受けるSr2RuO4が混合対称性の超伝導を示しうることを示唆し、真性の物質系においてHOTSCを実現する拡張を図ること。
• 局所状態密度（LDOS）におけるゼロバイアスピークなどの実験的兆候を提供し、位相的状態と自明または従来の超伝導状態を区別すること。

提案手法

• 層内でのキラル p 波対称性の超伝導と、層間での偶数パリティ（s 波または d 波）対称性の超伝導を有する二層スピン極化フェルミガスモデルを構築し、層間ハッピングと相互作用を調整可能とする。
• 単一バンドタイトビンディングハミルトニアンを用いて系をモデル化し、層内および層間の対称性項を含め、パラメータを調整することで異なる位相的状態にアクセス可能とする。
• 数値的対角化を用いて系の位相的不変量とエッジモードを解析し、局所状態密度（LDOS）を計算してMZMsを示すゼロバイアスピークを検出する。
• 一軸歪みがSr2RuO4に与える影響を調査し、ヘリカル p 波から偶数パリティ対称性への遷移をモデル化し、中間的歪みで混合対称性相が出現すると示唆する。
• 層状系における層間結合の役割を検討し、弱い層間ハッピング下でMZMsがゼロエネルギーに安定しており、層間対称性があるとわずかに分散性を示すことを示す。
• 対称性の考察とバンド構造解析を用いて、混合対称性相が安定しており、コーナーおよびエッジでのLDOS測定により検出可能であると主張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 調整可能な層間結合と対称性を有する二層フェルミガスにおいて、2次位相的超伝導が実現可能か？
• RQ2 このような系において、メジャナナ零モードはコーナーにのみ局在するのか、それとも超流動ドメインウォールなどの1次元的欠陥の端にも局在するのか？
• RQ3 層間パラメータを用いて、位相を実験的に制御・探索する方法は何か？
• RQ4 歪みを受けると予想されるp波超伝導体Sr2RuO4が、一軸歪みによって高次位相的超伝導状態に遷移可能か？
• RQ5 LDOSの特徴のような実験的兆候は、混合対称性HOTSC状態と従来の超伝導状態を区別するのに有効か？

主な発見

• 二層フェルミガスモデルは、コーナーおよび超流動ドメインウォールなどの1次元的欠陥の端に局在するメジャナナ零モードを有する2次位相的超伝導状態を支持する。
• 層間ハッピングと対称性強度の制御により、位相的状態が調整可能であり、MZMsの動的制御が可能である。
• |Δd| > |Δs| の混合対称性相では、局所状態密度（LDOS）においてコーナーに顕著なゼロバイアスピークが観測され、エッジモードはギャップを持つため、特徴的な識別子となる。
• エッジにおけるLDOSは、偶数パリティ対称性によるヘリカルエッジモードのギャップ化により、ゼロバイアス近傍で減少を示し、HOTSC状態をさらに明確に区別する。
• 一軸歪みを受けると、Sr2RuO4はp波と偶数パリティ（s波またはd波）対称性の両方を有する混合対称性超伝導状態を示しうる。これにより、真性の物質系でHOTSCを実現可能となる。
• Sr2RuO4における層間結合は、層間ハッピングが弱い場合にはゼロエネルギーのMZMsを保存し、層間対称性があるとわずかに分散性を示すが、位相的安定性を維持する。