[論文レビュー] Resilient nodeless $d$-wave superconductivity in monolayer FeSe

D. F. Agterberg, Tatsuya Shishidou+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2017

Iron-based superconductors research被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、一様なチェッカーブラック磁気秩序の揺らぎに結合する対称性に基づく k·p 有効理論を提案し、その理論により、単層 FeSe の高臨界温度、完全にギャップのある、ノードのない d 波超伝導状態を説明する。理論は、スピン軌道結合が小さいものの、通常は d 波状態にノードを誘導するが、そのエネルギースケールが超伝導ギャップより小さいため、ノードが抑制され、ARPES のデータと整合する頑健なノードのない状態が得られることを示している。

ABSTRACT

Monolayer FeSe exhibits the highest transition temperature among the iron based superconductors and appears to be fully gapped, seemingly consistent with $s$-wave superconductivity. Here, we develop a theory for the superconductivity based on coupling to fluctuations of checkerboard magnetic order (which has the same translation symmetry as the lattice). The electronic states are described by a symmetry based ${\bf k}\cdot {\bf p}$-like theory and naturally account for the states observed by angle resolved photoemission spectroscopy. We show that a prediction of this theory is that the resultant superconducting state is a fully gapped, nodeless, $d$-wave state. This state, which would usually have nodes, stays nodeless because, as seen experimentally, the relevant spin-orbit coupling term has an energy scale smaller than the superconducting gap.

研究の動機と目的

• 電子-空孔ポケットの欠如にもかかわらず、単層 FeSe における高臨界温度と完全にギャップのある超伝導状態のパラドックスを解消すること。
• ブリユアンゾーンの M 点近傍の本質的な電子状態を捉える簡略化された対称性に基づく k·p 理論を構築すること。
• 一様なチェッカーブラック反強磁性秩序（CB-AFM）の揺らぎへの結合が、ノードのない d 波超伝導状態を生じることを示すこと。
• スピン軌道結合の影響でノードが予想されるにもかかわらず、観測された d 波状態がなぜノードのないままであるかを説明すること。
• モデルを 3D の K-doped バルク FeSe および (Li0.8Fe0.2)OHFeSe に一般化し、広範な鉄系超伝導体におけるメカニズムと結びつけること。

提案手法

• 密度汎関数理論（DFT）計算から導かれた 2 つの軌道自由度（x²−y², xz, yz）を用いて、M 点近傍の対称性に基づく k·p 理論を構築する。
• フェルミエネルギーを貫く状態に制限することで、8×8 ハミルトニアンを簡略化された 4×4 k·p モデルに還元する。
• スピンフェルミオン結合を導入し、一様なチェッカーブラック反強磁性秩序（CB-AFM）のスピン揺らぎと低エネルギーフェルミオンを結合する。
• バンド基底および軌道基底の両方で、ボゴリューボフ＝デ・ギエンズ（BdG）方程式を解き、超伝導ギャップ構造を分析する。
• スピン軌道結合によって可能になる非対角項のペアリング（インターバンドペアリング）が、低エネルギー状態をギャップさせ、SOC のエネルギーが超伝導ギャップより小さい場合にノードが抑制されることを特定する。
• ARPES のデータを用いてモデルのパラメータを制約し、特にスピン軌道結合の強さとギャップの異方性を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ単層 FeSe は、d 波ペアリングの候補であるにもかかわらず、完全にギャップがありノードのない超伝導状態を示すのか？
• RQ2 電子ポケットしか存在しないにもかかわらず、単層 FeSe でどのようにして超伝導が生じるのか？（これは、通常の s±-波ペアリングを排除する。）
• RQ3 スピン軌道結合は、CB-AFM 揺らぎの存在下で、ノードのない d 波状態を安定化するために果たす役割は何か？
• RQ4 インターバンドペアリングとバンド分裂の相乗作用が、超伝導ギャップにノードが存在するか否かをどのように決定づけるか？
• RQ5 このメカニズムは、単層 FeSe や K-doped バルク FeSe、(Li0.8Fe0.2)OHFeSe といった関連系における高臨界温度超伝導をどの程度説明できるか？

主な発見

• スピン軌道結合のエネルギースケールが超伝導ギャップより小さいため、ノードが抑制され、理論的に完全にギャップがありノードのない d 波超伝導状態が予測される。
• ARPES で測定されたギャップの異方性は、モデルによって自然に再現され、実験観測と整合していることが確認された。
• |γy| + |MI| < Δ0 の条件下では、4 つのフェルミ表面シートすべてでノードが存在しない。この条件は、単層 FeSe において小さなスピン軌道結合のおかげで満たされている。
• 非ゼロのスピン軌道結合を必要とするインターバンドペアリングが、kx=0 および ky=0 の直線上の低エネルギー状態をギャップさせ、ノードを抑制している。
• M 点におけるスピン軌道結合および界面ポテンシャルがゼロになることにより、kx=0 および ky=0 方向に「避けられるクロスイング」が観測されないことがモデルで説明された。
• 理論は 3D の K-doped バルク FeSe および (Li0.8Fe0.2)OHFeSe に一般化可能であり、これらの系における高臨界温度超伝導の共通のメカニズムを示唆している。