[论文解读] Nematic orders and nematicity-driven topological phase transition in FeSe

Xianxin Wu, Yi Liang+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2016

Theoretical and Computational Physics被引用 11

一句话总结

本文提出，FeSe中所有t2g轨道（dxy、dxz和dyz）的d波向列序驱动了在M点处的能带反转，从而解释了FeSe中观测到的能带结构，并诱导出拓扑相变。该向列序由近邻库仑相互作用诱导，且可通过外部压力调节，导致费米能级附近出现拓扑保护的边缘态，使FeSe成为实现马约拉纳物理的可调平台。

ABSTRACT

We investigate nematic states in both bulk FeSe and FeSe thin films. It is found that their band structures and signature features that were observed in a variety of experiments can be perfectly explained by introducing the $d$-wave nematic orders that are required to have contributions from all $t_{2g}$ d-orbitals, which contradicts the conventional wisdom that the nematicity is simply driven by the orbital degeneracy between the $d_{xz}$ and $d_{yz}$ orbitals. These orders can be generated by the Coulomb interaction between the nearest neighbor Fe sites. In the presence of spin-orbital couplings, we predict that the nematic order can drive a topological quantum phase transition through a band inversion at the $M$ point of the Brillouin zone to produce topologically protected edge states near the Fermi level. The prediction makes FeSe as a tunable system to integrate topological properties into high temperature superconductivity to realize Majorana related physics.

研究动机与目标

• 解决实验观测到的FeSe能带结构与基于轨道简并性的传统向列序模型之间的矛盾。
• 确定FeSe中向列序的微观起源，以同时解释ARPES观测到的能带劈裂和狄拉克锥的形成。
• 研究向列序与拓扑性质之间的相互作用，特别是向列序是否能诱导拓扑相变。
• 确立FeSe作为实现拓扑超导和马约拉纳零能模的可调系统。

提出的方法

• 构建包含自旋-轨道耦合和向列序项的五轨道紧束缚模型，用于描述FeSe。
• 引入d波向列序参数（Δ¹_M用于dxz/dyz，Δ²_M用于dxy），打破C4对称性但保持反演对称性。
• 利用有效哈密顿量和能带结构计算，模拟类似ARPES的谱图及边缘态形成。
• 分析在增加向列序强度下M点处的能带反转，自旋-轨道耦合诱导出拓扑能隙。
• 通过局域态密度（LDOS）计算确认在向列相中存在能隙内的边缘态。
• 将理论预测与实验数据进行比较，包括M点处80 meV的能带劈裂以及薄膜中的狄拉克锥特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种类型的轨道序能够一致地解释FeSe薄膜中M点处观测到的能带劈裂以及狄拉克锥色散关系？
• RQ2 FeSe中的向列序，特别是涉及dxy轨道的部分，与仅基于dxz/dyz简并性的传统模型有何不同？
• RQ3 向列序是否能通过M点处的能带反转在FeSe中驱动拓扑相变？
• RQ4 向列序强度在多大程度上可作为可调参数，用于调控FeSe中的拓扑性质？
• RQ5 自旋-轨道耦合在实现FeSe向列相中非平庸拓扑性质的过程中起什么作用？

主要发现

• FeSe中的向列序主要由所有t2g轨道的d波轨道序主导，其中dxy轨道的贡献强于dxz/dyz轨道。
• ARPES实验中观测到的M点处80 meV能带劈裂可由向列序解释，而不仅仅是自旋-轨道耦合的结果。
• M点附近出现类似狄拉克锥的能带色散，源于向列序诱导的dxz/dyz与dxy能带交叉，这些能带被推至费米能级附近。
• 向列序通过M点处的能带反转驱动拓扑相变，当引入自旋-轨道耦合时，形成非平庸的拓扑绝缘体相。
• 向列序强度可作为调控参数，用于诱导拓扑相变，实现对外部调控拓扑性质的控制。
• 理论预测并经LDOS计算证实了费米能级附近的边缘态，表明存在拓扑保护的一维模式。