[논문 리뷰] Ultranodal pair states in iron-based superconductors

Chandan Setty, Shinibali Bhattacharyya외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 01.

Iron-based superconductors research인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 스핀-오비트 결합, 비형상 쌍성, 시간역행 대칭성 파괴가 우세한 스핀-싱เกlet 내반도 쌍성과 함께 존재할 때 철기 초전도체가 보고부리우프 Fermi 표면을 가진 위상적 초전도 상태를 가질 수 있다고 제안한다. 이 모델은 청결한 시스템에서도 비제로의 영점-편향 상태 밀도와 잔류 소머펠드 계수를 가지는 상태로의 전이를 예측하며, 이는 nematic 전이를 거친 FeSe₁₋ₓSₓ에서의 실험 관측과 유사하다.

ABSTRACT

Bogoliubov Fermi surfaces are contours of zero-energy excitations that are protected in the superconducting state. Here we show that multiband superconductors with dominant spin singlet, intraband pairing of spin-1/2 electrons can undergo a transition to a state with Bogoliubov Fermi surfaces if spin-orbit coupling, interband pairing and time reversal symmetry breaking are also present. These latter effects may be small, but drive the transition to the topological state for appropriate nodal structure of the intra-band pair. Such a state should display nonzero zero-bias density of states and corresponding residual Sommerfeld coefficient as for a disordered nodal superconductor, but occurring even in the pure case. We present a model appropriate for iron-based superconductors where the topological transition associated with creation of a Bogoliubov Fermi surface can be studied. The model gives results that strongly resemble experiments on FeSe$_{1-x}$S$_x$ across the nematic transition, where this ultranodal behavior may already have been observed.

연구 동기 및 목표

• 스핀-싱เกlet 쌍성과 함께 다밴드 초전도체에서 보고부리우프 Fermi 표면의 발생을 이해하기 위해.
• 작은 스핀-오비트 결합과 비형상 쌍성이 위상 전이를 어떻게 이끌 수 있는지 조사하기 위해.
• nematic 전이를 거친 FeSe₁₋ₓSₓ에서 관측된 초노드 행동을 설명하기 위해.
• 철기 시스템에서 노드 구조, 시간역행 대칭성 파괴, 위상적 초전도성 간의 상호작용을 묘사하는 모델을 개발하기 위해.

제안 방법

• 스핀-1/2 전자와 스핀-싱เก릿 내반도 쌍성으로 구성된 철기 초전도체를 위한 다밴드 모델을 수립하기 위해.
• 시간역행 대칭성을 깨는 데 기여하는 약한 스핀-오비트 결합 및 비형상 쌍성 항목을 통합하기 위해.
• 초전도 격자 구조와 준입자 준위 스펙트럼을 분석하여 영에너지 등고선을 식별하기 위해.
• 대칭성과 위상적 불변량을 사용하여 유도된 초전도 상태를 분류하기 위해.
• 상태도를 그려 보고부리우프 Fermi 표면을 가진 상태로의 전이를 식별하기 위해.
• FeSe₁₋ₓSₓ의 실험 데이터, 특히 nematic 전이 근처에서의 결과와 모델 예측을 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀-싱게릿 내반도 쌍성과 함께 하는 다밴드 초전도체가 스핀-오비트 결합과 비형상 쌍성을 도입했을 때 보고부리우프 Fermi 표면을 갖게 될 수 있는가?
• RQ2 시간역행 대칭성 파괴가 영에너지 Fermi 표면을 가진 위상적 초전도 상태를 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 내반도 쌍성의 노드 구조와 비형상 쌍성 항목이 함께 위상적 질서의 발생에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 이 모델이 nematic 전이를 거친 FeSe₁₋ₓSₓ에서 관측된 초노드 행동을 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ5 불순물의 부재에도 불구하고 이러한 위상 상태가 밀도 상태와 열용량에서 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 스핀-오비트 결합과 비형상 쌍성의 포함은 스핀-싱게릿 쌍성과 함께 하는 다밴드 초전도체에서 보고부리우프 Fermi 표면을 가진 상태로의 위상 전이를 유도한다.
• 유도된 상태는 청결한 극한에서도 비제로의 영점-편향 상태 밀도와 잔류 소머펠드 계수를 나타내며, 불순물이 있는 노드 초전도체와 유사하게 행동한다.
• 이 모델은 nematic 전이를 거친 FeSe₁₋ₓSₓ의 핵심 특징을 재현하며, 초노드 행동이 위상적 쌍성 메커니즘에 기인할 수 있음을 시사한다.
• 보고부리우프 Fermi 표면은 대칭성에 의해 보호되며, 노드가 있는 내반도 쌍성과 비형상 쌍성 항목 간의 상호작용으로 인해 나타난다.
• 내반도 갭이 특정한 노드 구조를 가질 때, 작은 외부 자극—스핀-오비트 결합과 비형상 쌍성—이 위상 상태로의 전이를 이끈다.
• 이 모델은 고유한 분광학적 서명을 가진 강력한 위상적 초전도 상태를 예측하며, 철기 시스템에서의 실험 관측과 일치한다.