[論文レビュー] $S_4$ Symmetric Microscopic Model for Iron-Based Superconductors

Jiangping Hu, Hao, Ningning|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2012

Theoretical and Computational Physics被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、$S_4$ 対称性を持つ二軌道微視的モデルを提案し、鉄系超伝導体における高 $T_c$ 超伝導を、ゲージ変換によって銅酸化物超伝導体における $d$-波対応状態に等価な $A_{1g}$ $s$-波対称性の対称状態として説明する。このモデルは、上部と下部のAs/Se面の $c$-軸方向における超伝導秩序パラメータの符号反転が $S_4$ 対称性に起因することを示し、鉄pnict化物と鉄 chalcogenides を共通の対称性に基づく同一の対称機構で統一する。

ABSTRACT

Although iron-based superconductors are multi-orbital systems with complicated band structures, we demonstrate that the low energy physics which is responsible for high-$T_c$ superconductivity is essentially governed by one effective Hamiltonianwith two almost decoupled orbitals near half filling. This underlining electronic structure is protected by the $S_4$ symmetry. With repulsive or strong next nearest neighbor antiferromagnetic exchange interactions, each single-orbital effective Hamiltonian results in a robust $A_{1g}$ s-wave pairing which can be exactly mapped to the d-wave pairing observed in cuprates. The classification of the superconducting(SC) states according to the $S_4$ symmetry leads to a natural prediction of the existence of two different phases named A and B phases. In the B phase, the superconducting order has an overall sign change along c-axis between the top and bottom As(Se) planes in a single Fe-(As)Se trilayer structure, which is an analogy of the sign change under the $90^\circ$ degree rotation in the d-wave SC state of cuprates. Our derivation provides a unified understanding of iron-pnictides and iron-chalcogenides, and suggests that cuprates and iron-based superconductors share identical high-$T_c$ superconducting mechanism.

研究の動機と目的

• 鉄pnict化物と鉄 chalcogenides が異なるフェルミ面トポロジーを示すにもかかわらず、同じ高 $T_c$ 超伝導機構を有するかどうかという長年の論争を解決すること。
• 多軌道の複雑さに依存しない、鉄系超伝導体における $s^\pm$ 対称性の背後にある低エネルギー電子状態を特定すること。
• ARPES実験で観測された $\cos k_x \cos k_y$ 形状因子が、強固な $S_4$ 対称性を持つ二軌道有効ハミルトニアンに起因することを示すこと。
• 鉄系超伝導体における $A_{1g}$ $s$-波対称性がゲージ変換によって銅酸化物超伝導体における $d$-波対称性に正確に写像されることを示し、銅酸化物と鉄系超伝導体の対称機構を統一すること。
• $c$-軸に沿った超伝導秩序パラメータの符号変化が、フェルミ面のネスティングではなく $S_4$ 対称性の直接的結果であることを説明すること。

提案手法

• 著者らは、物理的観測量を保存するが隠れた $S_4$ 対称性を明らかにするゲージ変換を用いて、五軌道モデルから有効二軌道ハミルトニアンを導出する。
• $S_4$ 対称性は、$d_{xz}$ と $d_{yz}$ 軌道間の動的対称性として特定され、これらはFe-(As)Se三層構造における上部および下部のAs/Se面に結合する。
• 次近隣の反強磁性交換相互作用（$J_2$）が、正確に銅酸化物超伝導体における $d$-波対称性に写像される強固な $A_{1g}$ $s$-波対称性の超伝導状態を誘導することをモデルが示す。
• $S_4$ 対称性下での超伝導状態の対称性分類により、二つの異なる相（A相とB相）の予測が得られ、B相では $c$-軸に沿って $\pi$ 位相シフトが発生する。
• 群論とゲージ不変な定式化を用いて、$S_4$ 対称性が $\cos k_x \cos k_y$ 形状因子を保護し、摂動に対して安定な対称性を保証することを示す。
• モデルは、鉄pnict化物および鉄 chalcogenides におけるARPESおよびトンネル分光法の実験データ—特に実空間における符号反転と $2\Delta/T_c$ 比—との比較により、妥当性が検証されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鉄系超伝導体が多軌道的性質を示すにもかかわらず、高 $T_c$ 超伝導を支配する低エネルギー電子状態は何か？
• RQ2 ARPES実験で観測された $\cos k_x \cos k_y$ 形状因子は、最小限の有効モデル内でどのように説明できるか？
• RQ3 フェルミ面トポロジーが異なるにもかかわらず、鉄pnict化物と鉄 chalcogenides が類似した $T_c$ および $2\Delta/T_c$ 比を示すのはなぜか？
• RQ4 鉄系超伝導体における $c$-軸に沿った超伝導秩序パラメータの符号変化の物理的起源は何か？
• RQ5 鉄系超伝導体における $s^\pm$ 対称性は、ゲージ変換のもとで銅酸化物超伝導体における $d$-波対称性と本質的に等価か？

主な発見

• 鉄系超伝導体の低エネルギー物理学は、$S_4$ 対称性を持つ有効二軌道ハミルトニアンによって支配され、この対称性が $A_{1g}$ $s$-波対称性の超伝導状態を保護する。
• 鉄系超伝導体における $A_{1g}$ $s$-波対称性は、ゲージ変換によって銅酸化物超伝導体における $d$-波対称性と正確に等価であり、統一された対称機構を示唆する。
• モデルは二つの異なる超伝導相（A相とB相）を予測し、B相では上部と下部のAs/Se面の $c$-軸に沿って超伝導秩序パラメータに $\pi$ 位相シフトが発生する。
• ARPESで観測された $\cos k_x \cos k_y$ 形状因子は、$S_4$ 対称性とNNN反強磁性交換相互作用（$J_2$）の直接的結果であり、フェルミ面ネスティングとは無関係である。
• 鉄pnict化物および鉄 chalcogenides における $2\Delta/T_c$ 比はBCS理論の値3.52を超えており、強結合 $s^\pm$ 対称性のモデル予測と整合的である。
• モデルは、電子的ネミック状態を $S_4$ 対称性の自発的破れとして説明し、$S_4$ 不変モデルがネミック性、超伝導性、スピン揺らぎの相関を微視的に基礎づける。