[논문 리뷰] Resilient nodeless $d$-wave superconductivity in monolayer FeSe

D. F. Agterberg, Tatsuya Shishidou외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 06.

Iron-based superconductors research인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 단일층 FeSe에서의 높은 Tc, 완전히 빈도가 있는, 노드가 없는 d파동 초전도 상태를 설명하기 위해, 이동 불변의 체크무늬 자성 순서의 변동에 기인한 대칭 기반 k·p 효과 이론을 제안한다. 이 이론은 스핀-오비탈 결합(SOC)이 작지만, 일반적으로 d파동 상태에서 노드를 유도할 수 있지만, 그 에너지 척도가 초전도 갭보다 작기 때문에 노드가 억제되어 ARPES 데이터와 일치하는 강건한 노드 없는 상태로 이어진다.

ABSTRACT

Monolayer FeSe exhibits the highest transition temperature among the iron based superconductors and appears to be fully gapped, seemingly consistent with $s$-wave superconductivity. Here, we develop a theory for the superconductivity based on coupling to fluctuations of checkerboard magnetic order (which has the same translation symmetry as the lattice). The electronic states are described by a symmetry based ${\bf k}\cdot {\bf p}$-like theory and naturally account for the states observed by angle resolved photoemission spectroscopy. We show that a prediction of this theory is that the resultant superconducting state is a fully gapped, nodeless, $d$-wave state. This state, which would usually have nodes, stays nodeless because, as seen experimentally, the relevant spin-orbit coupling term has an energy scale smaller than the superconducting gap.

연구 동기 및 목표

• 전자-홀 포켓이 존재하지 않음에도 불구하고 단일층 FeSe에서의 고온 Tc와 완전히 빈도가 있는 초전도 상태를 설명하는 것.
• 브릴루앙 영역의 M점 근처에서의 필수 전자 구조를 반영하는 단순화된 대칭 기반 k·p 이론을 개발하는 것.
• 이동 불변의 체크무늬 반자성 순서(CB-AFM)의 변동에 기인한 노드 없는 d파동 초전도 상태가 어떻게 유도되는지 보여주는 것.
• 스핀-오비탈 결합으로 인한 노드 예측과는 달리 관측된 d파동 상태가 왜 노드가 없는지 설명하는 것.
• 이 모델을 3D K-doped 불화 FeSe 및 (Li0.8Fe0.2)OHFeSe로 일반화하여 이 체계들 간의 공통된 메커니즘을 연결하는 것.

제안 방법

• DFT 계산에서 유도된 두 개의 오비탈 자유도(x²−y², xz, yz)를 사용하여 M점 근처에서 대칭 기반 k·p 이론을 수립한다.
• Fermi 표면을 가로지르는 상태로 제한함으로써 8×8 해밀토니안을 단순화된 4×4 k·p 모델로 축소한다.
• 저에너지 페르미온과 이동 불변의 체크무늬 반자성 순서(CB-AFM)에서 기인한 스핀 변동 사이의 스핀-페르미온 결합을 도입한다.
• 초전도 갭 구조를 분석하기 위해 궤도 기저와 밴드 기저에서 봐그올리우브-데 고ennes(BdG) 방정식을 해결한다.
• 스핀-오비탈 결합 덕분에 가능한 비동축 쌍결합이 저에너지 상태를 갭화시켜, SOC 에너지가 초전도 갭보다 작을 경우 노드가 억제됨을 규명한다.
• ARPES 데이터를 활용하여 모델 매개변수, 특히 스핀-오비탈 결합 강도와 갭 이방성에 제약을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 단일층 FeSe는 전자-홀 포켓이 없음에도 불구하고 완전히 빈도가 있고 노드가 없는 초전도 상태를 나타내는가?
• RQ2 전도성 전자 포켓만 존재하는 단일층 FeSe에서 어떻게 초전도가 발생할 수 있는가? 이는 전통적인 s±-파동 쌍결합을 배제한다.
• RQ3 체크무늬 반자성 순서(CB-AFM)의 변동이 존재하는 상황에서 스핀-오비탈 결합이 노드 없는 d파동 상태를 어떻게 안정화시키는가?
• RQ4 비동축 쌍결합과 밴드 분리 간의 상호작용이 초전도 갭의 노드 유무를 어떻게 결정하는가?
• RQ5 이 메커니즘이 단일층 FeSe와 K-doped 불화 FeSe, (Li0.8Fe0.2)OHFeSe와 같은 유사 체계에서 고온 Tc를 얼마나 잘 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 스핀-오비탈 결합의 에너지 척도가 초전도 갭보다 작기 때문에 노드가 억제되어, 이론은 완전히 빈도가 있고 노드가 없는 d파동 초전도 상태를 예측한다.
• ARPES로 측정된 갭 이방성은 모델에 자연스럽게 재현되며, 실험 관측과의 일치를 확인한다.
• |γy| + |MI| < Δ0 조건을 만족할 경우, 모든 네 개의 Fermi 표면 시트에서 노드가 없으며, 이 조건은 작은 스핀-오비탈 결합으로 인해 단일층 FeSe에서 성립한다.
• 비동축 쌍결합은 비-zero 스핀-오비탈 결합이 필요하며, kx=0 및 ky=0 선을 따라 저에너지 상태를 갭화시키는 데 기여한다.
• M점에서 스핀-오비탈 및 인터페이스 포텐셜이 0이 되기 때문에, kx=0 및 ky=0 방향에서 피하기 어려운 교차가 관측되지 않는 것을 모델이 설명한다.
• 이 이론은 3D K-doped 불화 FeSe 및 (Li0.8Fe0.2)OHFeSe로 일반화되어, 이 체계들 간의 고온 초전도성의 공통 메커니즘을 제안한다.