[论文解读] Higher-order topological superconductivity: possible realization in Fermi gases and Sr$_2$RuO$_4$

Zhigang Wu, Zhongbo Yan+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 4

一句话总结

本文提出了一种在具有层内手性p波配对及可调层间s波或d波配对的双层自旋极化费米气体中实现二阶拓扑超导性的平台。结果表明，马约拉纳零能模不仅出现在角上，也出现在如涡旋壁等一维缺陷的端点处，且通过调节层间耦合与配对可实现对拓扑相的调控。

ABSTRACT

We propose to realize second-order topological superconductivity in bilayer spin-polarized Fermi gas superfluids. We focus on systems with intralayer chiral $p$-wave pairing and with tunable interlayer hopping and interlayer interactions. Under appropriate circumstances, an interlayer even-parity $s$- or $d$-wave pairing may coexist with the intralayer $p$-wave. Our model supports localized Majorana zero modes not only at the corners of the system geometry, but also at the terminations of certain one-dimensional defects, such as lattice line defects and superfluid domain walls. We show how such topological phases and the Majorana zero modes therein can be manipulated in a multitude of ways by tuning the interlayer pairing and hopping. Generalized to spinful systems, we further propose that the putative $p$-wave superconductor Sr$_{2}$RuO$_{4}$, when subject to uniaxial strains, may also realize the desired topological phase.

研究动机与目标

• 提出一种新颖平台，用于在具有可调层间耦合与配对的超冷费米气体中实现高阶拓扑超导性（HOTSC）。
• 证明马约拉纳零能模（MZMs）可出现在角点以及如超流涡旋壁和线缺陷等一维拓扑缺陷的端点处。
• 表明通过调控层间跃迁和配对对称性，可动态调节拓扑相，从而实现对MZMs的实验操控。
• 通过建议应变Sr2RuO4可能具有混合宇称配对，将该方案拓展至实际材料，实现纯净材料体系中的HOTSC。
• 提供实验信号——如局域态密度（LDOS）中的零偏置峰——以探测拓扑相，并将其与平凡或常规超导态区分开来。

提出的方法

• 构建一个具有层内手性p波配对及层间偶宇称（s波或d波）配对的双层自旋极化费米气体模型，允许层间跃迁与相互作用可调。
• 使用单带紧束缚哈密顿量建模该系统，整合层内与层间配对项，参数可调以进入不同拓扑相。
• 通过数值对角化分析系统的拓扑不变量与边缘模式，并计算局域态密度（LDOS）以检测表征MZMs的零偏置峰。
• 通过建模从螺旋p波到偶宇称配对的转变，研究单轴应变对Sr2RuO4的影响，表明在中间应变下可能形成混合宇称相。
• 研究层状体系中层间耦合的作用，表明当层间跃迁较弱时，MZMs在零能处保持鲁棒性，而层间配对会使之产生微弱色散。
• 通过群论分析与能带结构研究，论证混合宇称相的稳定性，并提出可通过角点与边缘处的LDOS测量实现探测。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在具有可调层间耦合与配对的双层费米气体中实现二阶拓扑超导性？
• RQ2 在此类系统中，马约拉纳零能模的局域位置在哪里——仅在角点，还是也出现在如涡旋壁等一维缺陷的端点处？
• RQ3 如何通过层间参数实验调控并探测该拓扑相？
• RQ4 通过单轴应变能否使潜在的p波超导体Sr2RuO4进入高阶拓扑超导相？
• RQ5 哪些实验信号（如LDOS特征）可将混合宇称HOTSC相与常规超导态区分开来？

主要发现

• 双层费米气体模型支持一种二阶拓扑超导相，其中马约拉纳零能模局域在系统角点及一维缺陷（如超流涡旋壁）的端点处。
• 通过调控层间跃迁与配对强度，系统可实现可调拓扑相，从而实现对MZMs的动态操控。
• 在|Δd| > |Δs|的混合宇称相中，局域态密度（LDOS）在角点处出现显著的零偏置峰，而边缘模式则出现能隙，构成明确的特征信号。
• 边缘处的LDOS在零偏置附近出现耗尽，这是由于偶宇称配对使螺旋边缘模式发生能隙化，进一步区分了HOTSC相。
• 在单轴应变下，Sr2RuO4可能形成具有共存p波与偶宇称（s波或d波）配对的混合宇称超导态，从而在真实材料中实现HOTSC。
• Sr2RuO4中的层间耦合在层间跃迁较弱时保持零能MZMs的鲁棒性，当存在层间配对时仅诱导微弱色散，维持了拓扑稳定性。