[論文レビュー] Ultranodal pair states in iron-based superconductors

Chandan Setty, Shinibali Bhattacharyya+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2019

Iron-based superconductors research被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、スピン-軌道結合、非対角項ペアリング、時間反転対称性の破れが、スピン・スイングレットの対角項ペアリングが支配的である鉄系超伝導体において、ボゴリューボフフェルミ面を有するトポロジカル超伝導状態を実現可能であると提唱している。モデルは、クリーン系においても非ゼロのゼロバイアス状態密度と残留ソームフェルト係数を示す遷移を予測しており、これはnematic転移を経るFeSe₁₋ₓSₓにおける実験的観察と類似している。

ABSTRACT

Bogoliubov Fermi surfaces are contours of zero-energy excitations that are protected in the superconducting state. Here we show that multiband superconductors with dominant spin singlet, intraband pairing of spin-1/2 electrons can undergo a transition to a state with Bogoliubov Fermi surfaces if spin-orbit coupling, interband pairing and time reversal symmetry breaking are also present. These latter effects may be small, but drive the transition to the topological state for appropriate nodal structure of the intra-band pair. Such a state should display nonzero zero-bias density of states and corresponding residual Sommerfeld coefficient as for a disordered nodal superconductor, but occurring even in the pure case. We present a model appropriate for iron-based superconductors where the topological transition associated with creation of a Bogoliubov Fermi surface can be studied. The model gives results that strongly resemble experiments on FeSe$_{1-x}$S$_x$ across the nematic transition, where this ultranodal behavior may already have been observed.

研究の動機と目的

• スピン・スイングレットペアリングを有する多バンド超伝導体におけるボゴリューボフフェルミ面の出現を理解すること。
• 微小なスピン-軌道結合と非対角項ペアリングがどのようにトポロジカル遷移を引き起こすかを調査すること。
• nematic転移を経るFeSe₁₋ₓSₓで観測された超ノード的挙動を説明すること。
• 鉄系系におけるノード構造、時間反転対称性の破れ、トポロジカル超伝導の相乗効果を捉えるモデルの構築

提案手法

• スピン1/2電子とスピン・スイングレット対角項ペアリングを有する鉄系超伝導体の多バンドモデルを構築する。
• 弱いスピン-軌道結合項と非対角項ペアリング項を導入し、時間反転対称性の破れを実現する。
• 超伝導ギャップ構造と準粒子励起スペクトルを解析し、ゼロエネルギー等高線を同定する。
• 対称性とトポロジカル不変量を用いて、得られた超伝導状態を分類する。
• 位相図をマッピングし、ボゴリューボフフェルミ面を有する状態への遷移を特定する。
• FeSe₁₋ₓSₓからの実験データ（特にnematic転移付近）とモデル予測を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン・スイングレット対角項ペアリングを有する多バンド超伝導体が、スピン-軌道結合と非対角項ペアリングを導入した場合、ボゴリューボフフェルミ面を有する状態を発現できるか？
• RQ2 時間反転対称性の破れが、ゼロエネルギーフェルミ面を有するトポロジカル超伝導状態の安定化に果たす役割は何か？
• RQ3 対角項ペアリングのノード構造と非対角項ペアリング項が、どのようにしてトポロジカル秩序の出現を共同で決定づけるか？
• RQ4 このモデルが、nematic転移を経るFeSe₁₋ₓSₓで観測された超ノード的挙動をどの程度まで説明できるか？
• RQ5 不純物が存在しない状況でも、このようなトポロジカル状態の状態密度および比熱に現れる特徴的なシグナルは何か？

主な発見

• スピン-軌道結合と非対角項ペアリングの導入により、スピン・スイングレットペアリングを有する多バンド超伝導体においてトポロジカル遷移が誘発され、ボゴリューボフフェルミ面を有する状態が実現される。
• クリーン極限においても、非ゼロのゼロバイアス状態密度と残留ソームフェルミット係数を示す。これは、不純物を含むノード的超伝導体と類似した挙動を示す。
• モデルは、nematic転移を経るFeSe₁₋ₓSₓの主要な特徴を再現しており、超ノード的挙動がトポロジカルペアリングメカニズムに起因する可能性を示唆している。
• ボゴリューボフフェルミ面は対称性によって保護されており、ノード的対角項ペアリングと非対角項ペアリング項の相乗作用によって生じる。
• 対角項ギャップに特定のノード構造が存在する場合、微小な摂動（スピン-軌道結合と非対角項ペアリング）によってトポロジカル状態への遷移が駆動される。
• モデルは、特徴的な分光的シグナルを有する頑健なトポロジカル超伝導相を予測しており、鉄系系における実験的観察と整合的である。