[논문 리뷰] Why some Iron-based superconductors are nodal while others are nodeless

Ronny Thomale, Christian Platt외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 18.

Iron-based superconductors research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 라운드산화철산화물계 초전도체인 LaOFeP는 노드를 가진 초전도성을 보이는 반면, 라운드산화철 arsenide계 초전도체인 LaOFeAs는 노드가 없는 초전도성을 보이는 이유를 5오비탈 모델에 기능적 재정규화군(fRG)을 적용하여 설명한다. 핵심적인 차이는 (π,π) 점에서 제3의 홀 풍선이 존재하는지 여부에 있다: 이 풍선이 존재하지 않을 경우(예: LaOFeP에서와 같이), 상호작용에 의해 전자 풍선에 부드러운 노드가 유도되며, 반대로 존재할 경우(As 기반 화합물에서와 같이), d_{xy} 오비탈에 의해 지배되는 내부 오비탈 산산이 주요한 역할을 하여 s±-파초전도 상태가 안정화된다.

ABSTRACT

The symmetry of the order parameter in iron-based superconductors, especially the presence or absence of nodes, is still a question of debate. While contradictory experiments can be explained by appropriately tuned theories of nodeless superconductivity in the iron-arsenide compounds, for LaOFeP all experiments clearly point to a nodal order parameter. We put forward a scenario that naturally explains the difference between the order-parameter character in these two sets of compounds, and use functional renormalization group (fRG) techniques to analyze it in detail. Our results show that, due to the orbital content of the electron and hole bands, nodal superconductivity on the electron pockets (hole pocket gaps are always nodeless) can naturally appear when the third hole pocket which lies at wavevector (pi,pi) in the unfolded Brillouin zone is absent, as is the case in LaOFeP. When present, the third hole pocket has overwhelming d_{xy} orbital character, and the intra-orbital interaction with the d_{xy} dominated part of the electron Fermi surface is enough to drive the superconductivity nodeless (of s^+- form). However, in its absence, pair hopping, inter-orbital, and electron-electron intra-orbital interactions render the gap on the electron pockets softly nodal.

연구 동기 및 목표

• LaOFeP에서의 노드형 행동과 As 기반 철계 산화물 수소화물에서의 노드 없는 행동 사이의 실험적 모순을 해결하기 위해.
• 유사한 피에르 표면 위상 구조를 가짐에도 불구하고 오비탈 대칭이 어떻게 다를 수 있는지 규명하기 위해.
• 오비탈 분해된 상호작용을 통해 전자 풍선에서의 노드 갭의 미세한 기원을 규명하기 위해.
• 특히 (π,π) 점의 홀 풍선 존재 여부가 노드형과 노드 없는 초전도성 간 전이를 결정짓는다는 것을 확립하기 위해.
• 특정 오비탈 상호작용—단지 피에르 표면 위상 구조가 아니라—가 갭 이방성과 노드 구조를 제어한다는 것을 입증하기 위해.

제안 방법

• 철기반 초전도체의 5오비탈 모델에 기능적 재정규화군(fRG)을 적용하여 쌍화 불안정성의 특성을 연구하였다.
• 내부 및 상호 오비탈 쿨롱 반발력(U_intra)과 쌍 허브 상호작용(J_pair)을 포함한 오비탈 분해 상호작용을 사용하여 초전도 채널의 흐름을 분석하였다.
• 접합 브릴루앙 영역에서 (π,π) 점에 제3의 홀 풍선이 존재하거나 존재하지 않는 시스템을 비교하여 As 기반 및 P 기반 화합물을 모델링하였다.
• 코опер 채널에서 주요 불안정성 고유값의 흐름을 추적하여 s±-파쌍화가 지배적임을 확인하였다.
• 일정한 밴드 상호작용 분석을 수행하여 피에르 표면 위상 구조와 오비탈 특화된 효과의 영향을 분리하였다.
• d_{X²−Y²} 오비탈의 U_intra와 J_pair를 변화시켜 전자 풍선에서의 노드형과 노드 없는 갭의 안정성을 탐색하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LaOFeP는 피에르 표면 위상이 유사한 데도 불구하고 노드형 초전도성을 보이는 반면, LaOFeAs는 그렇지 않은 이유는 무엇인가?
• RQ2 제3의 홀 풍선이 (π,π)에서 노드 없는 s±-파초전도성을 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 특히 d_{X²−Y²}와 d_{xy} 오비탈에 의해 지배되는 오비탈 특화된 상호작용은 전자 풍선에서의 갭 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 P 기반 화합물에서의 ARPES 및 침투 깊이 데이터는 노드형 행동을 보여주지만, As 기반 화합물은 노드 없는 갭을 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ5 특정 오비탈 산산 채널의 존재 또는 부재가 노드형과 노드 없는 초전도성 간 전이를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• LaOFeP에서 (π,π) 점에 제3의 홀 풍선이 존재하지 않아, 보조적인 상호오비탈 및 쌍 허브 상호작용으로 인해 전자 풍선에서 노드가 있는 s±-파초전도 갭이 발생한다.
• 제3의 홀 풍선이 존재할 경우, 이는 d_{xy} 오비탈 성질에 의해 지배되며, d_{X²−Y²}-지배적인 전자 풍선과 강한 내부 오비탈 산산을 일으켜 노드 없는 s±-파초전도 상태를 안정화시킨다.
• 주요 초전도 불안정성의 발산 스케일은 P 기반 화합물에서 낮으며, 이는 T_c가 낮고 저에너지 상태 밀도가 증가함과 일치한다(Λ_c ≈ T_c).
• M점의 홀 풍선이 존재하지 않아 Γ와 X점 사이의 낮은 농도가 깨지므로, P 기반 시스템에서의 SDW 변동은 상당히 약해진다.
• 오비탈 분해 분석 결과, P 기반 화합물에서 d_{X²−Y²} 대각선 쌍화 채널의 중요성이 감소하여, 노드 없는 상태에서 노드형 상태로의 전이가 확인된다.
• 일정한 밴드 상호작용 연구 결과, 피에르 표면 위상 구조만으로는 노드형 갭을 설명할 수 없으며, 오비탈 특화된 상호작용이 갭 이방성과 노드 형성에 필수적임을 확인한다.