[論文レビュー] Doping a spin-orbit Mott Insulator: Topological Superconductivity from the Kitaev-Heisenberg Model and possible application to (Na2/Li2)IrO3

Yi‐Zhuang You, Itamar Kimchi+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2011

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、ヘキサゴナル格子上のキタエフ-ヘイゼンベルグ模型におけるホールドーピングを調査し、スピン軌道Mott絶縁体としてのキタエフスピン液体を有する系が、時間反転対称性を破るスピン三重粒子対称性のトポロジカル超伝導を示すことを示している。SU(2)スレーブボソン平均場理論を用いて、2つの異なる超伝導相を特定した。低ドーピングではチャーン数+1を示す完全にギャップのあるトポロジカルSC1相が、高ドーピングでは自由粒子に類似した分散関係を示すSC2相が存在し、臨界ドーピングδcで一次転移によって分離されている。

ABSTRACT

We study the effects of doping a Mott insulator on the honeycomb lattice where spins interact via direction dependent Kitaev couplings J_K, and weak antiferromagnetic Heisenberg couplings J. This model is known to have a spin liquid ground state and may potentially be realized in correlated insulators with strong spin orbit coupling. The effect of hole doping is studied within a t-J-J_K model, treated using the SU(2) slave boson formulation, which correctly captures the parent spin liquid. We find superconductor ground states with spin triplet pairing that spontaneously break time reversal symmetry. Interestingly, the pairing is qualitatively different at low and high dopings, and undergoes a first order transition with doping. At high dopings, it is smoothly connected to a paired state of electrons propagating with the underlying free particle dispersion. However, at low dopings the dispersion is strongly influenced by the magnetic exchange, and is entirely different from the free particle band structure. Here the superconductivity is fully gapped and topological, analogous to spin polarized electrons with px+ipy pairing. These results may be relevant to honeycomb lattice iridates such as A2IrO3 (A=Li or Na) on doping.

研究の動機と目的

• スピン軌道Mott絶縁体としてのキタエフおよびヘイゼンベルグスピン相互作用を有する系におけるホールドーピングの効果を理解すること。
• キタエフスピン液体相にドーピングを施すと超伝導秩序が生じるか、およびその対称性特性を特定すること。
• 異なるドーピングレベルにおける超伝導状態の性質を調査し、可能な相転移を同定すること。
• 本モデルがナトリウム/リチウムイリジジン酸化物（Na2/Li2）IrO3のようなドープされたヘキサゴナルイリジジン酸化物にどのように関連するかを評価すること。

提案手法

• ヘキサゴナル格子上のキタエフ-ヘイゼンベルグハミルトニアンに対するホールドーピングを記述するt-J-JKモデルを構築する。
• Mott絶縁体の母相およびドーピングされた準粒子を扱うために、SU(2)スレーブボソン形式を適用する。
• スピンおよび電荷自由度を分離するために、ハッブル＝ストラトニヴィッチ変換を用いた平均場理論を用いる。
• 単一占有制約およびSU(2)ゲージ不変性を満たすために、ゲージ場およびラグランジュ乗数を導入する。
• 自己無撞撃的に平均場ハミルトニアンを解き、相図および秩序パラメータを決定する。
• チャーン数および準粒子分散関係を分析して、トポロジカル超伝導相を分類する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘキサゴナル格子上のキタエフスピン液体にドーピングを施すと、超伝導秩序が生じるか？
• RQ2 低ドーピングおよび高ドーピングにおける超伝導状態の対称性およびトポロジカル性質は何か？
• RQ3 ドーピングが増加するに従い、異なる超伝導相の間で相転移が生じるか？
• RQ4 本モデルにおける超伝導ペアリング機構は、t-Jモデルにおける常識的なd波ペアリングとどのように異なるか？
• RQ5 本モデルは、(Na2/Li2)IrO3のようなドープされたイリジジン酸化物におけるトポロジカル超伝導の出現を説明できるか？

主な発見

• 一次転移によって、低ドーピングのSC1相と高ドーピングのSC2相が分離されている。
• SC1相は完全にギャップがあり、チャーン数+1を示すトポロジカル超伝導体であり、スピン極化型px+ipy超伝導体に類似している。
• 高ドーピングにおけるSC2相は、自由粒子に類似した分散関係と滑らかに接続されており、トポロジカル的保護を欠いている。
• 一次転移の臨界ドーピングδcはδc ≈ 2uaJK/tと推定され、J=0の極限ではua ≈ 0.3である。
• 微小なヘイゼンベルグ結合に対しても相図は安定しており、t/JK=10およびJH/JK=1/8の条件下ではδc ≈ 0.056である。
• スピン三重粒子ペアリング状態は時間反転対称性を自発的に破るため、従来のd波超伝導体とは明確に異なる。