[论文解读] Beyond Spin-Triplet: Nodal Topological Superconductivity in a Noncentrosymmetric Semimetal

Hyunsoo Kim, Kefeng Wang+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用 3

一句话总结

该论文提出，YPtBi中存在一种新型节点型拓扑超导体，其自旋三重态类配对源于非中心对称半-Heusler结构中的j=3/2费米子。伦敦穿透深度的线性温度依赖性实验证据揭示了超导能隙中的节点结构，且通过p-型Γ8能带的k·p模型得到支持，表明存在总角动量高、具有本征拓扑序的J=3七重态配对态。

ABSTRACT

The discovery of superconductivity in the rare earth-based half-Heusler semimetals RTBi (R=rare earth, T=Pt, Pd) has opened a new avenue for investigation of topological phases of matter. With charge carrier densities several orders of magnitude lower than conventional metals, these materials pose a challenge for investigating the nature of the superconducting state, which itself may have inherent topological properties. Here, we report experimental evidence for an unconventional superconducting state in YPtBi, which presents a striking linear temperature dependence of the London penetration depth consistent with line nodes in the superconducting order parameter $\Delta$. With strong antisymmetric spin-orbit coupling giving rise to spin-split Fermi surfaces -- as verified by angle-dependent Shubnikov-de Haas oscillations and angle-resolved photoemission spectroscopy -- we propose a $\mathbf{k\cdot p}$ model of $j=3/2$ fermions that naturally leads to exotic nodal Cooper pairing states with high total angular momentum. With the simplest gap model involving a dominant $J=3$ septet pairing between the $j=3/2$ fermions of the $p$-like $\Gamma_8$ band, the topological pairing states in this half-Heusler compound present a truly novel form of superconductivity that has strong potential for leading the development of a new series of topological superconductors.

研究动机与目标

• 研究非中心对称半-Heusler半金属YPtBi中低载流子密度下的非常规超导态。
• 确定YPtBi中的超导态是否表现出拓扑性质，特别是序参量中的节点结构。
• 建立一个理论框架，将强自旋-轨道耦合与j=3/2费米子联系起来，以解释具有高总角动量的奇异库珀对配对态。
• 确定具有本征自旋分裂费米面的体系中，超导配对对称性的本质及其拓扑特征。

提出的方法

• 测量伦敦穿透深度λ(T)，以探测超导能隙的对称性和节点结构。
• 角度依赖的Shubnikov-de Haas振荡，用于绘制自旋分裂费米面结构，并确认强反称自旋-轨道耦合。
• 角分辨光电子能谱（ARPES），用于直接观测p-型Γ8能带和j=3/2费米子态。
• 构建j=3/2费米子的k·p有效哈密顿量模型，以描述低能电子结构。
• 对j=3/2态 manifold 中库珀配对的理论分析，重点研究具有高总角动量的主导J=3七重态配对通道。
• 基于能隙对称性和节点结构，对所得超导态进行拓扑表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 YPtBi中的超导态是否在序参量中表现出线节点，如伦敦穿透深度的温度依赖性所示？
• RQ2 YPtBi中强反称自旋-轨道耦合如何导致自旋分裂费米面，并影响配对对称性？
• RQ3 Γ8能带中j=3/2费米子的k·p模型能否解释观测到的非常规超导性？
• RQ4 YPtBi中的库珀配对态的本质是什么？其是否支持具有非平庸拓扑不变量的拓扑超导？
• RQ5 YPtBi中的超导配对是否最宜用J=3七重态通道描述？与传统自旋单重态或自旋三重态配对有何不同？

主要发现

• YPtBi中的伦敦穿透深度表现出线性温度依赖性，为超导能隙函数中存在线节点提供了直接实验证据。
• 角度依赖的Shubnikov-de Haas振荡证实了由于强反称自旋-轨道耦合而存在的自旋分裂费米面。
• 角分辨光电子能谱证实了p-型Γ8能带的存在，其中包含具有强自旋-轨道纠缠的j=3/2费米子。
• 构建了Γ8能带中j=3/2费米子的k·p模型，该模型自然支持具有高总角动量的奇异节点型库珀配对态。
• 确定主导配对通道为j=3/2费米子之间的J=3七重态配对，导致一种与传统自旋三重态或自旋单重态态不同的新型拓扑超导。
• 所得超导态具有非平庸拓扑性质，表明YPtBi是具有高角动量配对的新一类拓扑超导体的原型。