[论文解读] 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 8

一句话总结

本文研究了蜂窝晶格上Kitaev-Heisenberg模型的空穴掺杂，表明在具有Kitaev自旋液体的自旋轨道Mott绝缘体中掺杂可诱导出时间反演对称性破缺的拓扑超导态，其配对为自旋三重态。通过SU(2)从属玻色子平均场方法，识别出两种不同的超导相：低掺杂时的全带隙拓扑SC1相（陈数为+1），以及高掺杂时的SC2相（具有准粒子类似色散关系），二者由临界掺杂δc处的一阶相变分隔。

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.

研究动机与目标

• 理解空穴掺杂对具有Kitaev和Heisenberg自旋相互作用的自旋轨道Mott绝缘体的影响。
• 确定Kitaev自旋液体相的掺杂是否会导致超导序及其对称性特征。
• 研究不同掺杂水平下超导态的性质，并识别可能的相变。
• 评估该模型对掺杂蜂窝结构铱氧化物（如(Na2/Li2)IrO3）的相关性。

提出的方法

• 为蜂窝晶格上Kitaev-Heisenberg哈密顿量的空穴掺杂构建t-J-JK模型。
• 应用SU(2)从属玻色子形式以处理Mott绝缘体母相和掺杂准粒子。
• 使用哈伯德-斯特拉托诺维奇变换将自旋和电荷自由度解耦，结合平均场理论。
• 引入规范场和拉格朗日乘子以强制执行单占据约束和SU(2)规范不变性。
• 自洽求解平均场哈密顿量以确定相图和序参量。
• 通过陈数和准粒子色散关系分析，对拓扑超导相进行分类。

实验结果

研究问题

• RQ1 在蜂窝晶格上对Kitaev自旋液体进行掺杂是否会导致超导序？
• RQ2 在低掺杂和高掺杂下，超导态的对称性和拓扑特性是什么？
• RQ3 随着掺杂浓度增加，是否存在不同超导相之间的一阶相变？
• RQ4 该模型中的超导配对机制与t-J模型中常规的d波配对有何不同？
• RQ5 该模型能否解释(Na2/Li2)IrO3等掺杂铱氧化物中拓扑超导态的出现？

主要发现

• 一阶相变将两个不同的超导相分隔：低掺杂时的SC1相和高掺杂时的SC2相。
• SC1相为全带隙的拓扑超导体，陈数为+1，类似于自旋极化的px+ipy超导体。
• 高掺杂时的SC2相与自由费米子色散关系平滑相连，缺乏拓扑保护。
• 一阶相变的临界掺杂δc估计为δc ≈ 2uaJK/t，其中在J=0极限下ua ≈ 0.3。
• 当Heisenberg耦合较弱时，相图保持稳定，δc ≈ 0.056（当t/JK=10且JH/JK=1/8时）。
• 自旋三重态配对态自发破缺时间反演对称性，与常规d波超导体不同。