[論文レビュー] Why some Iron-based superconductors are nodal while others are nodeless

Ronny Thomale, Christian Platt+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2010

Iron-based superconductors research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、5軌道モデルを用いた関数的ランダム化群(fRG)を用いて、LaOFePのような鉄系超伝導体がノードを持つ超伝導を示すのに対し、LaOFeAsはノードなしである理由を説明している。主な違いは(π,π)点における第三のホールバンドの有無にあり、その存在がd_{xy}軌道の局所的スキャッタリングを強化し、s±-波のノードなし状態を安定化させる。一方、LaOFePでは第三のホールバンドが存在しないため、非対角的相互作用とペアハッピング相互作用が電子バンド上の軟ノードを誘導する。

ABSTRACT

The symmetry of the order parameter in iron-based superconductors, especially the presence or absence of nodes, is still a question of debate. While contradictory experiments can be explained by appropriately tuned theories of nodeless superconductivity in the iron-arsenide compounds, for LaOFeP all experiments clearly point to a nodal order parameter. We put forward a scenario that naturally explains the difference between the order-parameter character in these two sets of compounds, and use functional renormalization group (fRG) techniques to analyze it in detail. Our results show that, due to the orbital content of the electron and hole bands, nodal superconductivity on the electron pockets (hole pocket gaps are always nodeless) can naturally appear when the third hole pocket which lies at wavevector (pi,pi) in the unfolded Brillouin zone is absent, as is the case in LaOFeP. When present, the third hole pocket has overwhelming d_{xy} orbital character, and the intra-orbital interaction with the d_{xy} dominated part of the electron Fermi surface is enough to drive the superconductivity nodeless (of s^+- form). However, in its absence, pair hopping, inter-orbital, and electron-electron intra-orbital interactions render the gap on the electron pockets softly nodal.

研究の動機と目的

• LaOFePにおけるノードを持つ振る舞いとアーキテクト系鉄pnict化物におけるノードなしの実験的矛盾を解明すること。
• 類似したフェルミ面トポロジーを示すにもかかわらず、順位関数対称性が異なる理由を特定すること。
• 軌道分解可能な相互作用を用いて、電子バンド上のノードギャップの微視的起源を同定すること。
• (π,π) ホールバンドの有無がノードありとノードなし超伝導への遷移を支配することを確立すること。
• フェルミ面トポロジーだけでなく、軌道特異的相互作用がギャップの非等方性およびノード構造を制御することを示すこと。

提案手法

• 鉄系超伝導体の5軌道モデルに関数的ランダム化群(fRG)を適用し、対称性の不安定性を調査した。
• 局所的および非局所的クーロン反発(U_intra)とペアハッピング(J_pair)を含む軌道分解可能な相互作用を用い、超伝導チャネルの流れを分析した。
• unfoldedブリユアンゾーンにおける(π,π)点における第三のホールバンドの有無を比較し、AsおよびPを含む化合物をモデル化した。
• コッパーチャネルにおける主要不安定性固有値の流れを追跡し、s±-波対称性が支配的であることを特定した。
• 定常バンド相互作用解析を実施し、フェルミ面トポロジーと軌道特異的効果の役割を分離した。
• d_{X²−Y²}軌道におけるU_intraとJ_pairを変化させ、電子バンド上のノードあり・ノードなしギャップの安定性を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LaOFePはフェルミ面トポロジーが類似しているにもかかわらず、ノードを持つ超伝導を示すが、LaOFeAsはなぜそうではないのか？
• RQ2 (π,π) 点における第三のホールバンドがノードなしs±-波超伝導を安定化させる役割を果たすのか？
• RQ3 特にd_{X²−Y²}およびd_{xy}軌道が、電子バンド上のギャップ構造にどのように寄与するのか？
• RQ4 P含有化合物におけるARPESおよび浸透深度測定結果がノードを示す一方で、As含有化合物ではノードなしギャップが観測される理由は何か？
• RQ5 特定の軌道スキャッタリングチャネルの有無・無しによって、ノードありとノードなし超伝導への遷移を説明できるのか？

主な発見

• LaOFePにおける(π,π)点の第三のホールバンドの欠如により、非主要な非対角的相互作用およびペアハッピング相互作用が電子バンド上にノードを持つs±-波超伝導ギャップを誘導する。
• (π,π) ホールバンドが存在する場合、主にd_{xy}軌道の特徴を示すこのバンドが、d_{X²−Y²}支配の電子バンドとの強い局所的スキャッタリングを引き起こし、ノードなしs±-波状態を安定化させる。
• 主要な超伝導不安定性の発散スケールは、P含有化合物で低い（Λ_c ≈ T_c）ことが示され、T_cが低く、低エネルギー状態密度が高まっていることと整合する。
• M点におけるホールバンドの欠如により、Γ点とX点間のネスティングが破壊されるため、P含有系ではSDWフラクチュエーションが顕著に弱い。
• 軌道分解解析により、P含有化合物ではd_{X²−Y²}対角ペアリングチャネルの重要性が低下しており、ノードなしからノードありへの遷移が確認された。
• 定常バンド相互作用解析により、フェルミ面トポロジーだけではノード構造を説明できないことが確認され、ギャップの非等方性およびノード形成には軌道特異的相互作用が不可欠であることが示された。