[논문 리뷰] Topological Dirac-Nodal-Line Semimetal Phase in High-Temperature Superconductor MgB 2

Kyung‐Hwan Jin, Huaqing Huang외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 19.

Superconductivity in MgB2 and Alloys인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 최초의 원리 계산을 통해 고온 초전도체 MgB₂에서 위상적 디랙-노드라인(DNL) 상태를 발견한다. DNL은 공간 역행 대칭과 시간 역행 대칭에 의해 보호되며, 전자 및 정공 디랙 상태를 연결하는 일차원 분산 밴드를 가진다. (010) 표면은 에너지 준위가 패스하는 매우 이방성인 위상적 표면 밴드를 나타내며, 여기서 초전도 격자 갭이 열릴 것으로 예상된다—이는 이전까지는 불가능했던 고온에서 메이저라나 페르미온을 관측할 수 있는 길을 열어준다.

ABSTRACT

Topological superconductors (TSCs) are characterized by topologically protected gapless surface/edge states residing in a bulk superconducting gap, which hosts Majorana fermions. It is one of the most intriguing and elusive quantum phases in condensed matter systems. TSCs can be created either by interfacing a superconductor with a topological material or by realizing a superconducting (topological) phase in a topological (superconducting) material. Unfortunately, all the known TSCs to date have a very low transition temperature, which severely limits the experimental measurement of Majorana fermions. Here, we discover the existence of a topological Dirac-nodal-line (DNL) state in a well-known conventional high-temperature superconductor MgB2. First-principles calculations show that the DNL structure in MgB2 exhibits unique characteristic one-dimensional dispersive DNL, protected by both spatial-inversion and time-reversal symmetry, which connects the electron and hole Dirac states. Topological surface band of the (010) surface of MgB2 shows a highly anisotropic band dispersion, crossing the Fermi level where a superconducting gap is to be opened. Our discovery may enable the experimental measurement of Majorana fermions at an unprecedented high temperature.

연구 동기 및 목표

• 기존 고온 초전도체인 MgB₂와 같은 물질에서 메이저라나 페르미온을 수용할 수 있는 위상적 상태를 규명하는 것.
• MgB₂에서 대칭으로 보호되는 디랙-노드라인(DNL) 상태가 존재하는지, 그리고 전자 구조에 어떤 영향을 미치는지 규명하는 것.
• MgB₂의 표면 상태가 위상적으로 보호된 초전도 격자 갭을 수용할 잠재력을 탐색하는 것.
• 고전이온 전이 온도 초전도체에서 메이저라나 페르미온을 실험적으로 관측할 수 있는지의 가능성을 평가하는 것.

제안 방법

• MgB₂의 부스터 밴드 위상 구조를 조사하기 위해 최초 원리 전자 구조 계산을 수행하는 것.
• 공간 역행 대칭과 시간 역행 대칭을 이용해 DNL의 대칭 보호 성질을 분석하는 것.
• (010) 표면의 표면 전자 구조를 매핑하여 위상적 표면 상태를 식별하는 것.
• 표면 밴드의 분산 및 에너지 준위와의 교차를 평가하여 초전도 격자 갭 형성 가능성을 예측하는 것.
• 대칭 분석을 통해 DNL의 위상적 보호성과 디랙 상태와의 연결성을 확인하는 것.
• 기존 위상 반도체에서의 노드라인 특성과 비교하여 DNL의 일차원 분산 특성을 분석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MgB₂는 공간 역행 대칭과 시간 역행 대칭에 의해 보호되는 위상적 디랙-노드라인 상태를 갖는가?
• RQ2 MgB₂의 DNL은 운동량 공간에서 전자 및 정공 디랙 상태를 어떻게 연결하는가?
• RQ3 (010) 면의 MgB₂ 표면 전자 구조는 어떠한가? 그리고 에너지 준위를 가로지르는 위상적으로 보호된 밴드를 수용하는가?
• RQ4 MgB₂의 표면 상태는 초전도 격자 갭을 수용할 수 있으며, 이로 인해 메이저라나 페르미온이 나타날 수 있는가?
• RQ5 DNL 상태의 위상적 성질은 충분히 강건하여 고온에서 메이저라나 페르미온의 실험적 관측이 가능한가?

주요 결과

• 전자 및 정공 디랙 상태의 상호작용에 의해 기인하는 대칭으로 보호되는 일차원 분산 디랙-노드라인(DNL) 상태가 MgB₂에 존재한다.
• DNL은 공간 역행 대칭과 시간 역행 대칭 양쪽에 의해 위상적으로 보호되어 안정성을 확보한다.
• (010) 표면은 에너지 준위를 가로지르는 매우 이방성인 위상적 표면 밴드를 포함한다.
• 표면 밴드 구조는 표면에서 초전도 격자 갭이 열릴 수 있음을 시사하며, 이는 위상적 초전도성의 기반을 마련한다.
• 이 발견은 MgB₂가 이전에 알려진 위상적 초전도체보다 훨씬 높은 온도에서 메이저라나 페르미온을 수용할 수 있는 후보로 자리매김한다.
• MgB₂의 위상적 표면 상태는 분산적이며 일차원적인 특성 덕분에 기존의 일반적인 반도체적 노드라인과는 다릅니다.