[论文解读] Topological Dirac-Nodal-Line Semimetal Phase in High-Temperature Superconductor MgB 2

Kyung‐Hwan Jin, Huaqing Huang+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2017

Superconductivity in MgB2 and Alloys被引用 1

一句话总结

该论文通过第一性原理计算在高温超导体 MgB₂ 中发现了一种类拓扑狄拉克-节线（DNL）相。该 DNL 相受空间反演对称性和时间反演对称性保护，具有连接电子和空穴狄拉克态的一维色散能带。(010) 表面表现出高度各向异性的拓扑表面能带，该能带穿过费米能级，预期将打开超导能隙——为在远高于以往可能的温度下观测马约拉纳费米子提供了新途径。

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.

研究动机与目标

• 识别常规高温超导体（如 MgB₂）中的拓扑态，这些态可能容纳马约拉纳费米子。
• 确定 MgB₂ 中是否存在由对称性保护的狄拉克-节线（DNL）态，以及其如何影响电子结构。
• 探索 MgB₂ 表面态在容纳拓扑保护超导能隙方面的潜力。
• 评估在高温超导体中实验观测马约拉纳费米子的可行性。

提出的方法

• 采用第一性原理电子结构计算，研究 MgB₂ 的体相能带拓扑性质。
• 利用空间反演和时间反演对称性分析 DNL 的对称性保护机制。
• 绘制 (010) 表面的电子结构，以识别拓扑表面态。
• 评估表面能带的色散关系及其与费米能级的交点，以预测超导能隙的形成。
• 通过群论分析确认 DNL 的拓扑保护性及其与狄拉克态的关联。
• 将 DNL 的一维色散特性与拓扑半金属中的传统节线特征进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 MgB₂ 是否存在受空间反演和时间反演对称性保护的拓扑狄拉克-节线态？
• RQ2 MgB₂ 中的 DNL 如何在动量空间中连接电子和空穴狄拉克态？
• RQ3 MgB₂ 的 (010) 晶面的表面电子结构是什么？其是否包含穿越费米能级的拓扑保护能带？
• RQ4 MgB₂ 的表面态能否支持超导能隙，从而促成马约拉纳费米子的出现？
• RQ5 DNL 态的拓扑特性是否足够稳定，以实现高温下马约拉纳费米子的实验探测？

主要发现

• 在 MgB₂ 中存在一种由对称性保护的一维色散狄拉克-节线（DNL）态，其源于电子和空穴狄拉克态的相互作用。
• DNL 受空间反演和时间反演对称性双重保护，确保其拓扑稳定性。
• (010) 表面具有高度各向异性的拓扑表面能带，该能带穿过费米能级。
• 表面能带结构表明，表面可打开超导能隙，从而为实现拓扑超导提供平台。
• 该发现使 MgB₂ 成为在远高于以往已知拓扑超导体中实现马约拉纳费米子宿主的候选材料。
• MgB₂ 中的拓扑表面态具有鲁棒性，且因其一维色散特性，与传统半金属节线态显著不同。