[논문 리뷰] Topological Superconductivity in an s-wave Superconductor and Its Implication to Iron-based Superconductors

Shengshan Qin, Chen Fang외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 08.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 중심대칭이며 비대칭 구조를 가진 격자—특히 철계 초전도체의 P4/nmm 공간군—에서 s파 초전도성은 거울 대칭에 의해 보호되는 2차 위상론적 초전도성을 지닐 수 있음을 보여준다. 연구는 짝수의 부호가 바뀐 s파 쌍성 상태가 (10) 면에서 2Z 디랙 원추와 (11)/(11̄) 모서리에서 Z 쌍의 마요라나 모드를 포함하는 위상론적 상태로 간주되며, 이는 철계 초전도체에서의 쌍성 대칭 논란을 해결할 수 있는 측정 가능한 서명을 제공한다.

ABSTRACT

In the presence of both space and time reversal symmetries, an s-wave A1g superconducting state is usually topologically trivial. Here we demonstrate that an exception can take place in a type of nonsymmorphic lattice structures. We specify the demonstration in a system with a centrosymmetric space group P4/nmm, the symmetry group that governs iron-based superconductors, by showing the existence of a second-order topological state protected by a mirror symmetry. The topological superconductivity is featured by 2Z degenerate Dirac cones on the (1,0) edge, and Z pairs of Majorana modes at the intersection between the (1,1) and (1,-1) edges. The topological invariance and Fermi surface criterion for the topological state are provided. Moreover, we point out that the previously proposed s-wave state in iron-based superconductors, which features a sign-changed superconducting order parameter between two electron pockets, is such a topological state. Thus, these results not only open a new route to pursue topological superconductivity, but also establish a measurable quantity to settle one long-lasting debate on the pairing nature of iron-based superconductors.

연구 동기 및 목표

• 중심대칭이며 비대칭 구조를 가진 격자에서의 s파 초전도성이 전통적인 기대와는 다르게 비자명한 위상학적 구조를 지닐 수 있는지 탐구하기.
• 이러한 시스템에서 2차 위상론적 초전도성의 위상수 및 피에르 표면 기준을 수립하기.
• 철계 초전도체에서의 부호가 바뀐 s파 쌍성 상태가 2차 위상론적 초전도성의 후보로 간주될 수 있는지 확인하기.
• 철계 초전도체에서 오랫동안 놓여진 쌍성 대칭 논란을 해결하기 위한 측정 가능하고 실험적으로 접근 가능한 서명(모서리 및 면에서의 모드)을 제공하기.

제안 방법

• 철계 초전도체의 특징적인 P4/nmm 공간군을 분석하여, 비대칭 대칭—특히 글라이드 거울 대칭과 나선 회전 대칭—이 s파 초전도체에서 위상론적 상태를 가능하게 하는 방식을 규명한다.
• 거울 대칭에 의해 보호되는 2Z 위상수를 가진 A1g 쌍성 채널에서 2차 위상론적 초전도 상태를 구성한다.
• 모서리에서 국소화된 마요라나 모드를 유도하는 공간적으로 변화하는 질량 항을 가진 디랙 유사 이론을 보여주는 표면 모드에 대한 효과적 해밀토니안을 유도한다.
• 피에르 표면의 위상과 초전도 주문파라미터의 대칭성을 기반으로 한 피에르 표면 기준을 적용하여 위상론적 상을 식별한다.
• 5개의 d오비탈과 스핀-오비탈 결합을 포함하는 타이트버드 모델을 사용하여 단일층 FeSe의 정상 상태를 시뮬레이션하고, 실험적 밴드 구조에 맞추어 매개변수를 피팅한다.
• 초전도 상태를 모델링하기 위해 부호가 바뀐 s파 쌍성 형태 Δ₀ + 2Δ₁(cos kₓ + cos kᵧ)를 구현하고, 수치적 표면 상태 계산을 통해 위상적 특성을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 철계 초전도체와 같은 중심대칭이며 비대칭 구조를 가진 격자에서의 s파 초전도성이 비자명한 위상론적 순서를 지닐 수 있는가?
• RQ2 이러한 위상론적 초전도 상태를 지배하는 위상수 및 대칭 보호 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 이전에 제안된 철계 초전도체의 부호가 바뀐 s파 쌍성 상태는 2차 위상론적 초전도체에 해당하는가?
• RQ4 이 쌍성 상태의 위상론적 성격은 표면 및 모서리 모드를 통해 실험적으로 탐지될 수 있는가?

주요 결과

• P4/nmm 격자에서의 s파 초전도 상태는 시간 및 공간 역행 대칭이 존재하더라도 거울 대칭에 의해 보호되는 2차 위상론적 초전도성을 나타낸다.
• (10) 면에서 거울 대칭이 유지되는 곳에 2Z 디랙 원추가 존재하며, 이는 비자명한 위상론적 불변량을 나타낸다.
• (11) 및 (11̄) 면의 교차점에서 Z 쌍의 마요라나 모드가 국소화되며, 이는 표면 해밀토니안의 효과적 질량 항에서의 도메인 월에 기인한다.
• 피에르 표면 기준은 초전도 주문파라미터의 부호가 반대인 영역을 피에르 표면이 둘러싸는 경우에 위상론적 초전도성을 식별하며, 이는 부호가 바뀐 s파 쌍성과 일치한다.
• ARPES 및 터널링 데이터에 기반해 이전에 제안된 철계 초전도체의 부호가 바뀐 s파 쌍성 상태는 측정 가능한 표면 및 모서리 모드를 지닌 2차 위상론적 초전도체로 확인된다.
• 단일층 FeSe의 수치 시뮬레이션은 부호가 바뀐 s파 쌍성 상태 하에서 (10) 면에 두 개의 디퇴한 마요라나 원추가 존재함을 확인하여 이론적 예측을 검증한다.