[論文レビュー] Spin fluctuations and superconductivity in KxFe{2-y}Se2

Andreas Kreisel, Yan Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2013

Iron-based superconductors research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（DFT）バンドから導出された3次元10軌道タイトビンディングモデルを用い、電子相互作用をランダム位相近似（RPA）で扱うことで、KxFe2−ySe2におけるスピンフラクチュエーション媒介超伝導を検討した。d波対称性の主要な超伝導不安定性が得られ、電子パッド上の節構造はトポロジー（水平、ループ状、垂直）に依存して変化する。一方、スピン軌道結合はM中心の電子パッドの混合を強化し、結合反結合性を示す準主導的s±-波状態を安定化させる。

ABSTRACT

Superconductivity in alkali-intercalated iron selenide, with T_c's of 30K and above, may have a different origin than that of the other Fe-based superconductors, since it appears that the Fermi surface does not have any holelike sheets centered around the Gamma point. Here we investigate the symmetry of the superconducting gap in the framework of spin-fluctuation pairing calculations using density functional theory bands downfolded onto a three-dimensional (3D), ten-orbital tight-binding model, treating the interactions in the random-phase approximation (RPA). We find a leading instability towards a state with d-wave symmetry, but show that the details of the gap function depend sensitively on electronic structure. As required by crystal symmetry, quasi-nodes on electron pockets always occur, but are shown to be either horizontal, looplike or vertical depending on details. A variety of other 3D gap structures, including bonding-antibonding s-symmetry states which change sign between inner and outer electron pockets are found to be subdominant. We then investigate the possibility that spin-orbit coupling effects on the one-electron band structure, which lead to enhanced splitting of the two M-centered electron pockets in the 2-Fe zone, may stabilize the bonding-antibonding s_+/- wave states. Finally, we discuss our results in the context of current phenomenological theories and experiments.

研究の動機と目的

• 穴状フェルミ面が存在しない中で、KxFe2−ySe2における超伝導ギャップの対称性と構造を特定すること。
• 3次元的電子構造およびスピン軌道結合が、非単純超伝導状態を安定化させる役割を評価すること。
• 3次元RPAスピンフラクチュエーション理論の予測を2次元モデルと比較し、特にギャップ節のトポロジーに関して実験観測と照合すること。
• 穴パッドが存在しない状況下で、スピン軌道結合がフェルミ面をどのように変化させ、結合反結合性を示すs±-波状態を促進するかを評価すること。

提案手法

• 最大局在化Wannier関数を用いてDFTバンドから3次元10軌道タイトビンディングモデルを構築し、全軌道および運動量空間構造を正確に再現する。
• 電子間相互作用に対してランダム位相近似（RPA）を適用し、超伝導チャネルにおけるスピンフラクチュエーション対称子を計算する。
• 線形化ギャップ方程式を解き、主としての超伝導不安定性を同定し、ギャップ関数の対称性を特定する。
• ハミルトニアンに物理的項としてλ³d_Fe ≈ 0.06 eVを導入し、フェルミ準位近傍のバンド構造にスピン軌道結合を組み込む。
• Wannier関数の射影とk空間サンプリング（最大7500 k点）を用い、バンド構造およびフェルミ面計算の収束性を確保する。
• スピン軌道結合がM中心の電子パッドの混合に与える影響と、その対称性に与える影響を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 穴状フェルミ面が存在しない場合、KxFe2−ySe2における主要な超伝導対称性は何か？
• RQ2 ギャップ節のトポロジー（例：水平、ループ状、垂直）は、電子構造の詳細にどのように依存するか？
• RQ3 スピン軌道結合がM中心の電子パッドの混合をどれほど強化し、s±-波対称性を安定化させるか？
• RQ4 簡略化された2次元モデルとは対照的に、完全な3次元10軌道モデルがギャップ構造を予測する点でどのように異なるか？
• RQ5 実験で観測されたギャップ構造は、実際のバンドパラメータを有する3次元フレームワークにおけるスピンフラクチュエーション対称子によって説明可能か？

主な発見

• 主としての超伝導不安定性はd波状態であり、ギャップ節は電子パッド上に存在するが、そのトポロジー（水平、ループ状、垂直）は電子構造に敏感に依存する。
• 結合反結合性を示すs±-波状態は準主導的であるが、スピン軌道結合のおかげで安定化しており、内側と外側のM中心電子パッド間で符号が反転する。
• スピン軌道結合は2Feブリユアンゾーンにおける2つのM中心電子パッドの分裂を増大させ、それにより混合が強化され、s±-波対称性の対称性が有利になる。
• DFTに基づく3次元10軌道タイトビンディングモデルは、2次元近似では到達できない対称性保護された準節構造を正確に再現できる。
• フェルミ面およびバンド構造は、ARPESデータと定性的に一致しており、超伝導領域における有効モデルの妥当性を支持する。
• スピン軌道結合（λ³d_Fe ≈ 0.06 eV）の導入により、フェルミ準位付近で顕著なバンド分裂が生じ、これが対称子の競合に影響を与える。