[論文レビュー] Possibility of Skyrmion Superconductivity in Doped Antiferromagnet K$_2$Fe$_4$Se$_5$

G. Baskaran|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2011

Iron-based superconductors research参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、ドーピングされた K₂Fe₄Se₅ における超伝導の新しいメカニズムを提案する。ドーピングされた電子は、Fe₄Se₉ モノマーにおいて軌道非 degenerate な S=7/2 状態を形成し、S=8 の反強磁性秩序のトポロジカルなスカイリオン励起状態が量子異常を介して -2e の電荷を獲得し、事前に形成されたクーペル対を形成する。超伝導は、これらのスカイリオンのボーズ＝アインシュタイン凝縮によって発現し、予測される Tc は約 30 K であり、高スピンモット反強磁性体における高 Tc 超伝導への道筋を示唆する。

ABSTRACT

Intercalated Fe chalcogenide K$_2$Fe$_4$Se$_5$ family exhibits high Tc ($\sim$ 30 K) superconductivity and spin-8 high T$_{ m N}$ ($\sim$ 560 K) antiferromagnetism (AFM). We present a model Hamiltonian and suggest extit{Skyrmion superconductivity}. A doped electron creates an orbitally non degenerate S=7\half state in a F$_4$Se$_9$ cluster and moves in a single correlated band, exchange coupled to a robust S=8 AFM order. Skyrmion, a topological excitation of 2 dimensional AFM order acquires an extit{induced charge -2e} through a quantum anomaly and becomes a Cooper pair. Superconductivity emerges for a range of doping. Fluctuating superconductivity, arising from preformed Cooper pairs (stable Skyrmions), around room temperatures is predicted. We offer hope for higher Tc's in large-S Mott insulators.

研究の動機と目的

• K₂Fe₄Se₅ における高 Tc 超伝導 (Tc ~30 K) と強固な高 TN 反強磁性秩序 (TN ~560 K) の共存を説明すること。
• この鉄系系において、従来の BCS 理論を越えた電子対形成の微視的メカニズムを特定すること。
• 2次元反強磁性秩序のトポロジカルなスカイリオン励起状態が、量子異常を経由して電荷を獲得し、クーペル対となる可能性を提案すること。
• Tc よりも高い温度領域で、スカイリオン対の事前形成に起因するフラクチュエーティングな超伝導の可能性を検討すること。
• 高スピンモット反強磁性体が、このスカイリオン対形成メカニズムを通じて、より高い Tc の超伝導を実現可能である可能性を示唆すること。

提案手法

• 正方格子上の強い電子相関を記述する最小限の単バンドモデルを構築し、S=8 の反強磁性プラケットと交換相互作用で結合する。
• Fe₄Se₉ クラスターを、コアとしての S=7/2 スピン状態と、ハンズの結合によって接続された価電子的 S=1/2 スピンモーメントとしてモデル化し、プラケット間の反強磁性超交換相互作用を導入する。
• 2次元ヘイゼンベルグ反強磁性体におけるスカイリオントポロジカル励起状態を、対形成の主要な媒介として特定し、チャーン異常（chiral anomaly）によって -2e の電荷が誘導されることを示す。
• スカイリオンの誘導電荷を Q_Skyrmion^c = ±2e|Q| として導出する。ここで Q はポントレヤーギン指数（スカイリオン数）であり、トポロジーと電荷の関係を結びつける。
• スカイリオンバンド幅を W_Skyrmion ~ Wx² として計算し、W ~ 400 meV および x ~ 0.1 ドーピングの条件下で、約 4 meV を得る。これは観測された Tc ~30 K と整合的である。
• 超伝導体を、相互作用するボソン的スカイリオンの 2次元コスターリッツ＝トゥースリー凝縮状態として扱い、弱い層間ジョセフソン結合が 3次元超伝導を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 K₂Fe₄Se₅ において、なぜ高 Tc 超伝導と強固な高 TN 反強磁性秩序が共存できるのか？
• RQ2 大スピンモーメントを有するこのドーピングされたモット絶縁体において、電子対形成の微視的起源は何か？
• RQ3 2次元反強磁性体におけるトポロジカル励起状態（スカイリオン）が、有効な電荷を獲得し、クーペル対を形成できるか？
• RQ4 量子異常がスカイリオンに -2e の電荷を誘導する役割は何か？
• RQ5 事前に形成されたクーペル対（スカイリオン）は、Tc よりも高い温度でフラクチュエーティングな超伝導を引き起こす可能性があるか？

主な発見

• K₂Fe₄Se₅ にドーピングされた電子は、Fe₄Se₉ クラスター内で軌道非 degenerate な S=7/2 状態を形成し、価電子的 S=1/2 スピンモーメントを生成する。
• 2次元 S=8 反強磁性秩序におけるスカイリオン励起状態は、チャーン異常を経由して -2e の電荷を獲得し、クーペル対に変換される。
• 超伝導転移温度 Tc は約 30 K と推定され、実験的観測と整合的である。
• スカイリオンバンド幅は x ~ 0.1 ドーピング条件下で約 4 meV と計算され、Tc のエネルギースケールと一致する。
• 本系は、弱い層間結合が 3次元超伝導を可能にする 2次元コスターリッツ＝トゥースリー型のスカイリオン凝縮相を支持する。
• 事前に形成されたクーペル対（スカイリオン）に起因するフラクチュエーティングな超伝導が、室温まで持続すると予測され、高 Tc 超伝導の探索のための窓を示唆する。