[论文解读] Higgs-Leggett mechanism for the elusive 6e superconductivity observed in Kagome vanadium-based superconductors

Lingfeng Zhang, Zhi Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种涉及凯莫夫钒基超导体中三个2e超导序参量的希格斯-莱格特机制，以解释莱特-帕克斯电阻振荡中难以捉摸的6e周期性。在环形几何结构中，序参量之间的相位缠绕差异在h/6e的通量量子倍数处形成亚稳态，而Z₂手性与通过希格斯-莱格特机制稳定的畴壁共同选择出仅整数倍的h/6e极小值，与实验观测结果一致。

ABSTRACT

A recent Little-Parks experiment on Kagome-structured superconductor CsV_3Sb_5 demonstrated remarkable resistance oscillations with period \phi0/3=hc/6e. Here, we perform analysis based on a theory involving three 2e superconductivity (SC) order parameters associated with the three reciprocal lattice vectors which connect M points of the hexagonal Brillouin zone. In a ring geometry we unveil that, as a series of metastable states, phase of one SC order parameter winds 2πmore or less than the other two ones around the ring, which yields local free energy minima at integer multiples of \phi0/3. Intriguingly, the ground-state degeneracy associated with a Z_2 chirality is crucial, and the Higgs-Leggett mechanism stabilizes domain walls (DW) between chiral domains. At low temperatures DW are expelled from the system resulting in free energy minima only at integer multiples of ϕ_0. Our theory explains successfully the 6e SC observed in experiments, which opens a door for approaching rich physics of Kagome superconductors.

研究动机与目标

• 解释铯钒砷五（CsV₃Sb₅）中莱特-帕克斯电阻振荡实验观测到的6e周期性。
• 解决长期存在的谜题：尽管预期为2e库珀对配对，为何会出现6e超导性。
• 建立一个将多通道超导性、拓扑序与凯莫夫晶格中通量量子化联系起来的理论框架。
• 展示希格斯-莱格特机制如何稳定畴壁并劈裂简并，仅选择出h/6e通量极小值。

提出的方法

• 使用与六角布里渊区中连接M点的倒易晶格矢量相关的三个2e超导序参量对系统进行建模。
• 在环形几何结构中分析系统，以研究相位缠绕和拓扑缺陷。
• 引入Z₂手性自由度以描述手性畴态。
• 应用希格斯-莱格特机制以稳定手性畴之间的畴壁。
• 计算吉布斯自由能景观，识别出h/6e通量量子倍数处的局部极小值。
• 证明在低温下，畴壁被驱逐，仅整数倍的h/6e极小值作为基态存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在CsV₃Sb₅中，尽管存在2e库珀对，电阻振荡仍表现出h/6e的周期？
• RQ2 具有三个2e序参量的多通道超导态如何导致6e周期性？
• RQ3 希格斯-莱格特机制在选择特定通量量子化态中起什么作用？
• RQ4 手性畴的形成与畴壁的稳定化如何影响观测到的通量周期性？
• RQ5 为何在基态中仅观察到整数倍的h/6e通量量子作为自由能极小值？

主要发现

• 系统表现出亚稳态，其中一个序参量与另外两个之间存在2π的相位缠绕差异，导致在h/6e通量量子倍数处形成自由能极小值。
• 系统的Z₂手性对于劈裂简并并实现特定通量态的选择至关重要。
• 希格斯-莱格特机制稳定了手性畴之间的畴壁，这些畴壁在低温下被驱逐。
• 在低温下，畴壁的驱逐导致仅整数倍的h/6e成为能量上更有利的态，与实验观测一致。
• 该理论成功通过具有拓扑保护的多通道超导态，解释了凯莫夫钒基材料中6e超导性的出现。