[论文解读] Possibility of Skyrmion Superconductivity in Doped Antiferromagnet K$_2$Fe$_4$Se$_5$

G. Baskaran|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2011

Iron-based superconductors research参考文献 1被引用 8

一句话总结

该论文提出了一种掺杂K₂Fe₄Se₅中高温超导性的新颖机制，其中掺杂电子在Fe₄Se₉团簇中形成轨道非简并的S=7/2态，而S=8反铁磁序的拓扑Skyrmion激发通过量子异常获得-2e电荷，形成预形成的Cooper对。超导性通过这些Skyrmion的玻色-爱因斯坦凝聚而出现，预测Tc约为30 K，为高自旋莫特绝缘体中实现高温超导性提供了新途径。

ABSTRACT

Intercalated Fe chalcogenide K$_2$Fe$_4$Se$_5$ family exhibits high Tc ($\sim$ 30 K) superconductivity and spin-8 high T$_{ m N}$ ($\sim$ 560 K) antiferromagnetism (AFM). We present a model Hamiltonian and suggest extit{Skyrmion superconductivity}. A doped electron creates an orbitally non degenerate S=7\half state in a F$_4$Se$_9$ cluster and moves in a single correlated band, exchange coupled to a robust S=8 AFM order. Skyrmion, a topological excitation of 2 dimensional AFM order acquires an extit{induced charge -2e} through a quantum anomaly and becomes a Cooper pair. Superconductivity emerges for a range of doping. Fluctuating superconductivity, arising from preformed Cooper pairs (stable Skyrmions), around room temperatures is predicted. We offer hope for higher Tc's in large-S Mott insulators.

研究动机与目标

• 解释K₂Fe₄Se₅中高Tc超导性（Tc ~30 K）与强高TN反铁磁性（TN ~560 K）共存的机制。
• 在该铁基体系中，识别超越传统BCS理论的电子配对微观机制。
• 提出2D反铁磁序的拓扑Skyrmion激发可通过量子异常变为带电Cooper对。
• 探讨由于预形成的Skyrmion对，Tc以上可能存在涨落超导性的可能性。
• 建议高自旋莫特反铁磁体可能通过此Skyrmion配对机制实现更高Tc的超导性。

提出的方法

• 在正方晶格上构建强关联电子的最小单带模型，通过交换相互作用与S=8反铁磁晶胞耦合。
• 将Fe₄Se₉团簇建模为一个核心S=7/2自旋态，通过Hund耦合与价态S=1/2自旋耦合，同时存在晶胞间的反铁磁超交换作用。
• 将2D海森堡反铁磁体中的Skyrmion拓扑激发识别为关键配对载体，其电荷通过量子异常（手征异常）诱导为-2e。
• 推导出Skyrmion的感应电荷为Q_Skyrmion^c = ±2e|Q|，其中Q为庞特里亚金指标（Skyrmion数），将拓扑与电荷联系起来。
• 计算Skyrmion能带宽度为W_Skyrmion ~ Wx²，其中W ~ 400 meV，x ~ 0.1掺杂，结果约为4 meV，与观测到的Tc ~30 K一致。
• 将超导体视为相互作用的任意任何Skyrmion的2D Kosterlitz-Thouless凝聚态，弱层间约瑟夫森耦合使3D超导性成为可能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在K₂Fe₄Se₅中，超导性如何与强高TN反铁磁性共存？
• RQ2 在具有大自旋矩的掺杂莫特绝缘体中，电子配对的微观起源是什么？
• RQ3 2D反铁磁体中的拓扑激发（Skyrmion）能否获得有效电荷并形成Cooper对？
• RQ4 量子异常在Skyrmion上诱导-2e电荷的作用是什么？
• RQ5 预形成的Cooper对（Skyrmion）是否可导致Tc以上出现涨落超导性？

主要发现

• 在K₂Fe₄Se₅中，掺杂电子在Fe₄Se₉团簇中形成轨道非简并的S=7/2态，产生一个价态S=1/2自旋矩。
• 在2D S=8反铁磁序中，Skyrmion激发通过手征异常获得-2e电荷，转变为Cooper对。
• 估算的超导转变温度Tc约为30 K，与实验观测一致。
• 对于x ~ 0.1掺杂，Skyrmion能带宽度计算为~4 meV，与Tc的能量尺度匹配。
• 该系统支持Skyrmion凝聚的2D Kosterlitz-Thouless相，弱层间耦合使3D超导性成为可能。
• 预测存在预形成的Cooper对（Skyrmion）的涨落超导性可延续至室温，提示了探索更高Tc的窗口。