[论文解读] Resilient nodeless $d$-wave superconductivity in monolayer FeSe

D. F. Agterberg, Tatsuya Shishidou+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2017

Iron-based superconductors research被引用 9

一句话总结

该论文提出了一种基于对称性的 k·p 有效理论，用于单层 FeSe，通过与具有平移不变性的棋盘状磁序涨落耦合，解释了其高临界温度、完全能隙且无节点的 d 波超导性。该理论表明，尽管自旋-轨道耦合较弱，通常会在 d 波态中诱导出节点，但由于其能量尺度小于超导能隙，节点被抑制，从而形成与角分辨光电子能谱（ARPES）数据一致的稳健无节点态。

ABSTRACT

Monolayer FeSe exhibits the highest transition temperature among the iron based superconductors and appears to be fully gapped, seemingly consistent with $s$-wave superconductivity. Here, we develop a theory for the superconductivity based on coupling to fluctuations of checkerboard magnetic order (which has the same translation symmetry as the lattice). The electronic states are described by a symmetry based ${\bf k}\cdot {\bf p}$-like theory and naturally account for the states observed by angle resolved photoemission spectroscopy. We show that a prediction of this theory is that the resultant superconducting state is a fully gapped, nodeless, $d$-wave state. This state, which would usually have nodes, stays nodeless because, as seen experimentally, the relevant spin-orbit coupling term has an energy scale smaller than the superconducting gap.

研究动机与目标

• 解决单层 FeSe 中高 Tc 与完全能隙超导性之间的悖论，尽管缺乏电子-空穴口袋。
• 构建一种简化的、基于对称性的 k·p 理论，以捕捉布里渊区 M 点附近的电子结构本质。
• 展示与棋盘状反铁磁序涨动的耦合如何导致无节点的 d 波超导态。
• 解释为何观测到的 d 波态在自旋-轨道耦合预期会产生节点的情况下仍保持无节点。
• 将该模型推广至三维 K 掺杂的块体 FeSe 和 (Li0.8Fe0.2)OHFeSe，将其机制与更广泛的铁基超导体联系起来。

提出的方法

• 基于密度泛函理论（DFT）计算，利用两个轨道自由度（x²−y², xz, yz）在 M 点附近构建基于对称性的 k·p 理论。
• 通过限制于跨越费米面的态，将 8×8 哈密顿量简化为简化的 4×4 k·p 模型。
• 引入低能费米子与具有平移不变性的棋盘状反铁磁序（CB-AFM）涨落之间的自旋-费米子耦合。
• 在轨道基和能带基中求解 BCS-Bogoliubov-de Gennes（BdG）方程，以分析超导能隙结构。
• 识别出，由自旋-轨道耦合所允许的间带配对可使低能态能隙化，当自旋-轨道耦合能量小于超导能隙时，节点被抑制。
• 利用 ARPES 数据约束模型参数，特别是自旋-轨道耦合强度和能隙各向异性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何单层 FeSe 尽管是 d 波配对候选者，却表现出完全能隙且无节点的超导态？
• RQ2 当仅存在电子口袋时，单层 FeSe 中的超导性如何产生，从而排除了常规的 s±-波配对？
• RQ3 自旋-轨道耦合在 CB-AFM 涨落存在下，如何在稳定无节点 d 波态中发挥作用？
• RQ4 间带配对与能带分裂之间的相互作用如何决定超导能隙中节点的有无？
• RQ5 该机制在多大程度上可解释单层 FeSe 及其相关体系（如 K 掺杂的块体 FeSe 和 (Li0.8Fe0.2)OHFeSe）中的高 Tc？

主要发现

• 该理论预测由于自旋-轨道耦合能量尺度小于超导能隙，节点被抑制，从而产生完全能隙且无节点的 d 波超导态。
• 模型自然再现了 ARPES 测量的能隙各向异性，证实与实验观测的一致性。
• 当 |γy| + |MI| < Δ0 时，所有四条费米面片上均无节点，该条件在单层 FeSe 中因自旋-轨道耦合较弱而成立。
• 需要非零自旋-轨道耦合的间带配对，负责在 kx=0 和 ky=0 线上使低能态能隙化。
• 该模型解释了为何在 kx=0 和 ky=0 方向上观测不到能级反交叉，原因在于 M 点处自旋-轨道耦合和界面势能为零。
• 该理论可推广至三维 K 掺杂的块体 FeSe 和 (Li0.8Fe0.2)OHFeSe，表明这些体系中存在高 Tc 超导性的共同机制。