[논문 리뷰] Nematic orders and nematicity-driven topological phase transition in FeSe

Xianxin Wu, Yi Liang외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 07.

Theoretical and Computational Physics인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 FeSe에서 관측된 밴드 구조와 위상적 위상 전이를 이끄는 d파동 비대칭 질서가 모든 t2g 오비탈—dxy, dxz, dyz—에서 발생함을 제안한다. 이 비대칭 질서는 근접한 이웃 전하 간 상호작용에 의해 유도되며 외부 압력에 의해 조절 가능하며, 페르미 수준 근처의 위상적으로 보호된 표면 상태를 유도하여, FeSe가 마요라나 물리학을 위한 조절 가능한 플랫폼이 될 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We investigate nematic states in both bulk FeSe and FeSe thin films. It is found that their band structures and signature features that were observed in a variety of experiments can be perfectly explained by introducing the $d$-wave nematic orders that are required to have contributions from all $t_{2g}$ d-orbitals, which contradicts the conventional wisdom that the nematicity is simply driven by the orbital degeneracy between the $d_{xz}$ and $d_{yz}$ orbitals. These orders can be generated by the Coulomb interaction between the nearest neighbor Fe sites. In the presence of spin-orbital couplings, we predict that the nematic order can drive a topological quantum phase transition through a band inversion at the $M$ point of the Brillouin zone to produce topologically protected edge states near the Fermi level. The prediction makes FeSe as a tunable system to integrate topological properties into high temperature superconductivity to realize Majorana related physics.

연구 동기 및 목표

• FeSe의 실험적 밴드 구조와 전통적인 오비탈 디제너레이션 기반의 비대칭 질서 모델 간의 괴리 문제를 해결하기 위해.
• ARPES로 관측된 밴드 분리와 디랙 원추 형성 현상을 설명할 수 있는 FeSe의 비대칭 질서의 미세한 기원을 규명하기 위해.
• 비대칭 질서와 위상학 간의 상호작용을 조사하여, 비대칭 질서가 위상 전이를 유도할 수 있는지 특히 M점에서의 밴드 역전을 중심으로 분석하기 위해.
• FeSe가 위상 초전도성과 마요라나 제로 모드를 실현하기 위한 조절 가능한 시스템으로서 확립하기 위해.

제안 방법

• 스핀-오비탈 결합과 비대칭 질서 항을 포함한 FeSe에 대한 오비탈 다섯 개인 타이트버드 모델 구축.
• C4 대칭을 깨지만 반사 대칭을 유지하는 d파동 비대칭 질서 파라미터(Δ¹_M: dxz/dyz, Δ²_M: dxy)의 통합.
• 효과적 해밀토니안과 밴드 구조 계산을 통해 ARPES 유사 스펙트럼과 표면 상태 형성 시뮬레이션.
• 비대칭 질서가 증가함에 따라 M점에서의 밴드 역전 분석, 스핀-오비탈 결합이 위상적 갭을 유도함.
• 국부 밀도 상태(LDOS) 계산을 통해 비대칭 상태에서의 갭 내 표면 상태 존재를 확인.
• 이론적 예측을 실험 데이터와 비교하여, M점에서 80 meV의 밴드 분리와 박막에서의 디랙 원추 특성 포함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 종류의 오비탈 질서가 FeSe에서 M점에서 관측된 밴드 분리와 박막에서의 디랙 원추 디스퍼션을 일관적으로 설명할 수 있는가?
• RQ2 dxy 오비탈을 포함한 비대칭 질서가 dxz/dyz 디제너레이션 기반의 전통적 모델과 FeSe에서 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ3 비대칭 질서가 M점에서의 밴드 역전을 통해 FeSe에서 위상 전이를 일으킬 수 있는가?
• RQ4 비대칭 질서 강도가 FeSe에서 위상적 성질을 제어하기 위한 조절 가능한 매개변수로 얼마나 활용될 수 있는가?
• RQ5 스핀-오비탈 결합이 비대칭 상태에서 비틀림 없는 위상학적 성질을 실현하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• FeSe의 비대칭 질서는 모든 t2g 오비탈에서 d파동 오비탈 정렬이 지배적이며, dxz/dyz보다 dxy 오비탈의 기여가 더 크다.
• ARPES 실험에서 관측된 M점에서의 80 meV 밴드 분리는 스핀-오비탈 결합만으로 설명되는 것이 아니라 비대칭 질서에 기인한다.
• dxz/dyz와 dxy 오비탈이 비대칭 질서에 의해 상호 교차되며, 이로 인해 페르미 수준 근처로 가까워지는 디랙 원추 유사 밴드 디스퍼션이 발생한다.
• 비대칭 질서는 M점에서의 밴드 역전을 통해 위상 전이를 일으키며, 스핀-오비탈 결합이 포함된 상태에서 비틀림 없는 위상 절연체 상태로 이어진다.
• 비대칭 질서 강도는 위상 전이를 유도하는 조절 가능한 제어 매개변수로 작용하여 외부 조절을 통해 위상적 성질을 제어할 수 있다.
• 페르미 수준 근처의 표면 상태가 예측되었으며 LDOS 계산을 통해 확인되어 위상적으로 보호된 1차원 모드 존재를 시사한다.