[論文レビュー] Topological Dirac-Nodal-Line Semimetal Phase in High-Temperature Superconductor MgB 2

Kyung‐Hwan Jin, Huaqing Huang+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2017

Superconductivity in MgB2 and Alloys被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、第一原理計算を用いて、高温超伝導体 MgB₂ においてトポロジカルなディラク・ノードライン（DNL）相が発見された。DNL は空間反転対称性および時間反転対称性によって保護されており、電子およびホールのディラック状態を結ぶ一次元的な分散性バンドを有する。 (010) 表面は、フェルミ準位を通過する極めて異方的なトポロジカル表面状態を示し、そこでは超伝導ギャップが予想される。これにより、従来のトポロジカル超伝導体と比較してはるかに高い温度でマヨラナフェルミオンを観測する道筋が開かれる。

ABSTRACT

Topological superconductors (TSCs) are characterized by topologically protected gapless surface/edge states residing in a bulk superconducting gap, which hosts Majorana fermions. It is one of the most intriguing and elusive quantum phases in condensed matter systems. TSCs can be created either by interfacing a superconductor with a topological material or by realizing a superconducting (topological) phase in a topological (superconducting) material. Unfortunately, all the known TSCs to date have a very low transition temperature, which severely limits the experimental measurement of Majorana fermions. Here, we discover the existence of a topological Dirac-nodal-line (DNL) state in a well-known conventional high-temperature superconductor MgB2. First-principles calculations show that the DNL structure in MgB2 exhibits unique characteristic one-dimensional dispersive DNL, protected by both spatial-inversion and time-reversal symmetry, which connects the electron and hole Dirac states. Topological surface band of the (010) surface of MgB2 shows a highly anisotropic band dispersion, crossing the Fermi level where a superconducting gap is to be opened. Our discovery may enable the experimental measurement of Majorana fermions at an unprecedented high temperature.

研究の動機と目的

• 常識的な高温超伝導体、MgB₂ にマヨラナフェルミオンを宿す可能性のあるトポロジカル状態が存在するかを特定すること。
• MgB₂ に、対称性保護されたディラク・ノードライン（DNL）状態が存在するか、およびそれが電子構造に与える影響を特定すること。
• MgB₂ の表面状態が、トポロジカルに保護された超伝導ギャップを宿す可能性を検討すること。
• 高転移温度超伝導体において、実験的にマヨラナフェルミオンを観測する可能性を評価すること。

提案手法

• MgB₂ のバルクバンドトポロジーを調査するために、第一原理電子状態計算を用いる。
• 空間反転対称性および時間反転対称性を用いて、DNL の対称性保護を分析する。
• (010) 表面の電子構造をマッピングし、トポロジカル表面状態を同定する。
• 表面状態の分散関係およびフェルミ準位への交差を評価し、超伝導ギャップの形成を予測する。
• 対称性解析を用いて、DNL のトポロジカル保護およびディラック状態への接続を確認する。
• DNL の一次元的で分散性の特徴を、トポロジカル半金属における従来のノードライン特徴と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MgB₂ に、空間反転対称性および時間反転対称性によって保護されたトポロジカルなディラク・ノードライン状態が存在するか？
• RQ2 MgB₂ の DNL は、動径空間において電子およびホールのディラック状態をどのように接続しているか？
• RQ3 (010) フェースの MgB₂ の表面電子構造はどのようなものであり、フェルミ準位を通過するトポロジカルに保護された状態を有するか？
• RQ4 MgB₂ の表面状態は、超伝導ギャップを支持できるか。その結果、マヨラナフェルミオンの出現を可能にするか？
• RQ5 DNL 状態のトポロジカル性は、高融点でマヨラナフェルミオンの実験的検出を可能にするほど十分に安定しているか？

主な発見

• 電子およびホールのディラック状態の相互作用に起因する、対称性保護された一次元的で分散性の高いディラク・ノードライン（DNL）状態が MgB₂ に存在する。
• DNL は空間反転対称性および時間反転対称性の両方によってトポロジカル的に保護されており、その安定性が保証される。
• (010) 表面は、フェルミ準位を通過する極めて異方的なトポロジカル表面状態を有する。
• 表面状態の構造的特徴から、表面に超伝導ギャップが開く可能性が示唆され、トポロジカル超伝導の実現のための基盤が整う。
• 本発見により、従来のトポロジカル超伝導体よりもはるかに高い温度でマヨラナフェルミオンを宿す可能性を有する材料として、MgB₂ が候補に挙げられるようになった。
• MgB₂ のトポロジカル表面状態は、一次元的で分散性の特徴を持つため、従来の半金属的ノードラインとは明確に異なり、安定的かつ特徴的である。