[論文レビュー] Topological Shiba chain from spin-orbit coupling

P. M. R. Brydon, Hoi-Yin Hui+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2014

Topological Materials and Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、ラシバスピン軌道結合を有する二次元スイングレット超伝導体における位相的シャイバ鎖を提案する。古典的スピンがフェロ磁性的に整列している系において、スピン軌道結合が誘導するスピン反転相関により、位相的準位エネルギystateが実現される。有効なタイトバインディング模型は長距離ホッピングおよびペアリングを示し、系は非自明な位相的不変量を示し、ヘリカルスピン構造を必要としない堅牢な位相的相を確立する。

ABSTRACT

We investigate the possibility of realizing a topological state in the impurity band formed by a chain of classical spins embedded in a two-dimensional singlet superconductor with Rashba spinorbit coupling. In contrast to similar proposals which require a helical spin texture of the impurity spins for a nontrivial topology, here we show that spin-flip correlations due to the spin-orbit coupling in the superconductor produces a topological state for ferromagnetic alignment of the impurity spins. From the Bogoliubov-de Gennes equations we derive an effective tight-binding model for the subgap states which resembles a spinless superconductor with long-range hopping and pairing terms. We evaluate the topological invariant, and show that a topologically non-trivial state is generically present in this model.

研究の動機と目的

• ラシバスピン軌道結合を有する二次元スイングレット超伝導体に埋め込まれた不純物鎖における位相的状態の探索。
• 不純物スピンにヘリカルスピン構造を必要としない非自明な位相的相が出現するかの特定。
• 準位エネルギystateの有効模型の導出およびその位相的性質の分析。
• スピン軌道結合に起因するスピン反転相関の存在下での位相的不変量の一般性の確立。

提案手法

• ラシバ超伝導体内の古典的スピン鎖に対してボゴリューボフ＝デ・ゲーンズ方程式を解く。
• 長距離ホッピングおよびペアリング項を有する準位エネルギystateの有効タイトバインディングハミルトニアンを導出する。
• スピン軌道結合が超伝導体内にスピン反転相関を生成する影響を組み込む。
• 非局所的結合を有するスピンなし超伝導体モデルへの系の写像。
• 位相的不変量を計算し、位相の非自明性を評価する。
• パラメータの変動に対するモデルの頑健性を分析し、一般性のある位相的挙動を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェロ磁性的に整列した不純物スピンとラシバスピン軌道結合を有する系において、位相的シャイバ鎖が出現可能か？
• RQ2 スピン軌道結合が誘導するスピン反転相関が、位相的秩序の実現に果たす役割は何か？
• RQ3 準位エネルギystateの有効模型が、位相の安定化に寄与する長距離ホッピングおよびペアリング項を支持するか？
• RQ4 この系において位相的不変量が非ゼロであるか、非自明な位相が存在するか？
• RQ5 微調整やヘリカルスピン秩序を必要とせず、位相的状態が一般に実現可能か？

主な発見

• ラシバスピン軌道結合が誘導するスピン反転相関により、フェロ磁性的に整列した古典的スピンですでに位相的非自明な状態が不純物バンドに実現される。
• 準位エネルギystateの有効模型は長距離ホッピングおよびペアリング項を有し、非局所的結合を有するスピンなし超伝導体に類似した性質を示す。
• 位相的不変量が非ゼロであるため、系に堅牢な位相的相が存在することが確認された。
• 位相的状態はパラメータの範囲にわたり一般に存在し、微調整を必要としない安定性を示す。
• 従来の提案とは異なりヘリカルスピン構造に依存しないため、位相的超伝導性への新たな道筋を提供する。