[论文解读] Helical Majorana modes in iron based Dirac superconductors

Elio J. König, Piers Coleman|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2019

Topological Materials and Phenomena被引用 2

一句话总结

本文提出，螺旋Majorana模——一种拓扑保护的一维费米子——可在铁基超导体（如Li(Fe₁₋ₓCoₓ)As）的涡旋核心中出现，其驱动力为三维狄拉克锥电子结构，并受C₄对称性保护。该现象与正常态贝里曲率中的单极子相关，由推导出的拓扑指标描述，为拓扑量子计算提供了平台。

ABSTRACT

We propose that propagating one-dimensional Majorana fermions will develop in the vortex cores of certain iron-based superconductors, most notably Li(Fe$_{1-x}$Co$_x$)As. A key ingredient of this proposal are the 3D Dirac cones recently observed in ARPES experiments [P. Zhang et al., Nat. Phys. extbf{15}, 41 (2019)]. Using an effective Hamltonian around the $\Gamma-Z$ line we demonstrate the development of gapless one-dimensional helical Majorana modes, protected by $C_4$ symmetry. A topological index is derived which links the helical Majorana modes to the presence of monopoles in the Berry curvature of the normal state. We present various experimental consequences of this theory and discuss its possible connections with quantum information applications and cosmic strings.

研究动机与目标

• 确定一维螺旋Majorana模在铁基超导体涡旋核心中出现的条件。
• 建立一个拓扑不变量，将Majorana模的存在与正常态贝里曲率中的单极子联系起来。
• 将角分辨光电子能谱（ARPES）实验中观测到的三维狄拉克锥与超导涡旋中Majorana费米子的出现联系起来。
• 探索在拓扑量子信息与宇宙物理中的实验信号和潜在应用。

提出的方法

• 在布里渊区的Γ–Z高对称线附近构建有效哈密顿量，以模拟Li(Fe₁₋ₓCoₓ)As的低能电子结构。
• 通过群论分析表明，C₄旋转对称性保护了涡旋核心中无能隙螺旋Majorana模的存在。
• 基于正常态的贝里曲率推导出一个拓扑指标，将其识别为底层拓扑序的特征。
• 利用有效哈密顿量分析涡旋核心态，证明零能Majorana模的形成。
• 预测实验信号，如量子化的热导率和隧道谱中的非局域Andreev反射。
• 通过任意子统计与量子信息的联系，以及场论中的类比，探讨与宇宙弦的关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有三维狄拉克锥的铁基超导体中，螺旋Majorana模是否能在涡旋核心中稳定存在？
• RQ2 何种对称性保护了这些Majorana模的存在？它们与系统拓扑结构有何关系？
• RQ3 Majorana模的存在在数学上如何与正常态贝里曲率中的单极子相联系？
• RQ4 哪些可测量的实验信号可将这些模与平凡束缚态区分开来？
• RQ5 该机制对拓扑量子计算与宇宙学类比有何影响？

主要发现

• 由于三维狄拉克锥与C₄对称性的共同作用，螺旋Majorana模在铁基超导体（如Li(Fe₁₋ₓCoₓ)As）的涡旋核心中出现。
• 这些模的存在受一个源自贝里曲率的拓扑不变量保护，该不变量可探测动量空间中的单极子结构。
• 该拓扑指标明确将Majorana模的存在与正常态能带结构的拓扑性质联系起来。
• 该模型预测了量子化热导率和非局域输运信号，作为Majorana模的实验信号。
• 该系统为实现与拓扑量子计算相关的非阿贝尔统计提供了平台。
• 通过贝里曲率单极子的共同拓扑结构，该系统与宇宙弦存在类比关系。