[論文レビュー] Topological Superconductivity in an s-wave Superconductor and Its Implication to Iron-based Superconductors

Shengshan Qin, Chen Fang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、中心対称で非対称な格子—具体的には鉄系超伝導体のP4/nmm空間群—におけるs波超伝導が、鏡対称性によって保護される2次元位相的超伝導を実現できることを示している。符号反転s波対称性状態が、(10)面に2Z重のデイク・コンスを、(11)/(11̄)隅にZ対のマヨラナモードを有する位相的状態として宿すことが特定され、鉄系超伝導体における対称性の議論を解消するための測定可能なシグネチャーを提供している。

ABSTRACT

In the presence of both space and time reversal symmetries, an s-wave A1g superconducting state is usually topologically trivial. Here we demonstrate that an exception can take place in a type of nonsymmorphic lattice structures. We specify the demonstration in a system with a centrosymmetric space group P4/nmm, the symmetry group that governs iron-based superconductors, by showing the existence of a second-order topological state protected by a mirror symmetry. The topological superconductivity is featured by 2Z degenerate Dirac cones on the (1,0) edge, and Z pairs of Majorana modes at the intersection between the (1,1) and (1,-1) edges. The topological invariance and Fermi surface criterion for the topological state are provided. Moreover, we point out that the previously proposed s-wave state in iron-based superconductors, which features a sign-changed superconducting order parameter between two electron pockets, is such a topological state. Thus, these results not only open a new route to pursue topological superconductivity, but also establish a measurable quantity to settle one long-lasting debate on the pairing nature of iron-based superconductors.

研究の動機と目的

• 中心対称で非対称な格子におけるs波超伝導が、従来の期待とは対照的に非自明な位相的性質を有する可能性があるかどうかを調査すること。
• このような系における2次元位相的超伝導のための位相的不変量およびフェルミ面基準を確立すること。
• 鉄系超伝導体における符号反転s波対称性状態が、2次元位相的超伝導の候補として特定されること。
• 長年の超伝導対称性の論争を解消するための測定可能で実験的にアクセス可能なシグネチャー（端面のデイク・コンスおよび隅のマヨラナモード）を提供すること。

提案手法

• 鉄系超伝導体の特徴であるP4/nmm空間群を分析し、非対称性の対称性—特にグライド鏡対称性およびスクリュー回転対称性—がs波超伝導体に位相的状態を可能にする仕組みを同定する。
• 鏡対称性によって保護される2Z巻き数を持つA1g対称性チャネルにおける2次元位相的超伝導状態を構築する。
• 端面モードの有効ハミルトニアンを導出し、空間的に変化する質量項を持つデイク型理論を示し、隅に局在化したマヨラナモードを導出する。
• フェルミ面の位相的性質と超伝導秩序パラメータの対称性に基づくフェルミ面基準を適用し、位相的状態を同定する。
• 単層FeSeの正常状態をシミュレートするため、5つのd軌道とスピン軌道結合を含むタイトビンディングモデルを用い、実験的バンド構造に適合するパラメータをフィッティングする。
• 符号反転s波対称性状態をΔ₀ + 2Δ₁(cos kₓ + cos kᵧ)としてモデル化し、数値的端面状態計算により位相的特徴を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中心対称で非対称な格子におけるs波超伝導—鉄系超伝導体に見られるようなもの—は、非自明な位相的秩序を有する可能性があるか？
• RQ2 このような位相的超伝導状態を支配する位相的不変量および対称性的保護は何であるか？
• RQ3 鉄系超伝導体において以前に提案された符号反転s波対称性状態は、2次元位相的超伝導体に対応するか？
• RQ4 この対称性状態の位相的性質は、端面および隅のモードを介して実験的にプローブ可能か？

主な発見

• P4/nmm格子におけるs波超伝導状態は、時間反転および空間反転対称性が存在するにもかかわらず、鏡対称性によって保護される2次元位相的超伝導を示す。
• 鏡対称性が保たれる(10)面に2Z重のデイク・コンスが存在し、非自明な位相的不変量を示している。
• (11)および(11̄)面の交差部に、有効質量項のドメインウォールから生じるZ対のマヨラナモードが局在化している。
• フェルミ面基準により、超伝導秩序パラメータの符号が反転する領域をフェルミ面が囲む場合に位相的超伝導が生じることが同定され、符号反転s波対称性と整合的である。
• ARPESおよびトンネル測定に基づいて以前に提案された鉄系超伝導体の符号反転s波対称性状態は、測定可能な端面および隅のモードを有する2次元位相的超伝導体として確認された。
• 単層FeSeの数値的シミュレーションにより、符号反転s波対称性下で(10)面に2重にデゲネレートしたマヨラナコーンが存在することが確認され、理論的予測が実証された。