[論文レビュー] Nematic orders and nematicity-driven topological phase transition in FeSe

Xianxin Wu, Yi Liang+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2016

Theoretical and Computational Physics被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、FeSeにおけるd波nematic秩序が、すべてのt2g軌道（dxy、dxz、dyz）に及ぼし、M点におけるバンド反転を引き起こし、その結果として観測されたバンド構造とトポロジカル相転移を駆動すると提案する。nematic秩序は、最近接相互作用によるものであり、外部圧力によって調整可能であり、フェルミ準位近くにトポロジカルに保護されたエッジ状態を生じさせ、FeSeをマジョラナ物理学の調整可能なプラットフォームとして可能にする。

ABSTRACT

We investigate nematic states in both bulk FeSe and FeSe thin films. It is found that their band structures and signature features that were observed in a variety of experiments can be perfectly explained by introducing the $d$-wave nematic orders that are required to have contributions from all $t_{2g}$ d-orbitals, which contradicts the conventional wisdom that the nematicity is simply driven by the orbital degeneracy between the $d_{xz}$ and $d_{yz}$ orbitals. These orders can be generated by the Coulomb interaction between the nearest neighbor Fe sites. In the presence of spin-orbital couplings, we predict that the nematic order can drive a topological quantum phase transition through a band inversion at the $M$ point of the Brillouin zone to produce topologically protected edge states near the Fermi level. The prediction makes FeSe as a tunable system to integrate topological properties into high temperature superconductivity to realize Majorana related physics.

研究の動機と目的

• FeSeの実験的バンド構造と、従来の軌道縮退に基づくnematic秩序モデルとの間に生じる不一致を解消すること。
• ARPESで観測されたバンドスプリットとダイラックコーン形成を説明する、FeSeにおけるnematic秩序の微視的起源を特定すること。
• nematic秩序とトポロジーの相乗作用、特にnematic秩序がトポロジカル相転移を引き起こすかどうかを調査すること。
• FeSeを、トポロジカル超伝導とマジョラナゼロモードを実現するための調整可能な系として確立すること。

提案手法

• スピン軌道結合とnematic秩序項を含む、FeSeの五軌道タイトビンディングモデルの構築。
• C4対称性を破るが逆符号を保存するd波nematic秩序パラメータ（dxz/dyzのΔ¹_M、dxyのΔ²_M）の組み込み。
• 有効ハミルトニアンとバンド構造計算を用いて、ARPESに類似したスペクトルとエッジ状態の形成をシミュレート。
• nematic秩序の増大に伴うM点におけるバンド反転の分析、スピン軌道結合がトポロジカルギャップを誘導。
• 局所状態密度（LDOS）の計算により、nematic相におけるインギャップエッジ状態の存在を確認。
• 理論的予測と実験データの比較、特に80 meVのバンドスプリットと薄膜におけるダイラックコーン特徴。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの種の軌道秩序が、FeSe薄膜におけるM点での観測バンドスプリットとダイラックコーン分散を一貫して説明できるか？
• RQ2 特にdxy軌道を含むnematic秩序は、dxz/dyzの縮退に基づく従来のモデルとはどのように異なるか？
• RQ3 nematic秩序が、FeSeにおけるM点におけるバンド反転を通じてトポロジカル相転移を駆動できるか？
• RQ4 nematic秩序の強さが、FeSeにおけるトポロジカル特性を制御するための調整可能なパラメータとして、どの程度利用可能か？
• RQ5 スピン軌道結合は、FeSeのnematic相における非自明なトポロジー実現に果たす役割は何か？

主な発見

• FeSeにおけるnematic秩序は、すべてのt2g軌道にわたるd波軌道秩序が支配的であり、特にdxz/dyzよりもdxy軌道の寄与が強い。
• ARPES実験で観測されたM点における80 meVのバンドスプリットは、スピン軌道結合によるものではなく、nematic秩序によるものである。
• dxz/dyzとdxyバンドのnematic秩序に起因する交差が、M点付近でダイラックコーンに類似したバンド分散を生じさせ、これらがフェルミ準位に近づく。
• nematic秩序がM点におけるバンド反転を引き起こし、スピン軌道結合を含めると非自明なトポロジカル絶縁体相に至る。
• nematic秩序の強さは、トポロジカル遷移を誘導する調整可能な制御パラメータとして機能し、外部からのトポロジカル特性の調整を可能にする。
• フェルミ準位近くにエッジ状態が予測され、LDOS計算により確認され、トポロジカルに保護された1次元モードの存在を示唆する。