[论文解读] $S_4$ Symmetric Microscopic Model for Iron-Based Superconductors

Jiangping Hu, Hao, Ningning|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2012

Theoretical and Computational Physics被引用 8

一句话总结

本文提出了一种具有 $S_4$ 对称性的两轨道微观模型，将铁基超导体中的高-$T_c$ 超导性解释为 $A_{1g}$ $s$-波配对态，该态通过规范变换等价于铜氧化物中的 $d$-波配对。该模型揭示了超导序参量的符号变化发生在上下 As/Se 面之间的 $c$-轴方向，从而在 $S_4$ 对称性支配下，统一了铁砷化物与铁硫属化物的配对机制。

ABSTRACT

Although iron-based superconductors are multi-orbital systems with complicated band structures, we demonstrate that the low energy physics which is responsible for high-$T_c$ superconductivity is essentially governed by one effective Hamiltonianwith two almost decoupled orbitals near half filling. This underlining electronic structure is protected by the $S_4$ symmetry. With repulsive or strong next nearest neighbor antiferromagnetic exchange interactions, each single-orbital effective Hamiltonian results in a robust $A_{1g}$ s-wave pairing which can be exactly mapped to the d-wave pairing observed in cuprates. The classification of the superconducting(SC) states according to the $S_4$ symmetry leads to a natural prediction of the existence of two different phases named A and B phases. In the B phase, the superconducting order has an overall sign change along c-axis between the top and bottom As(Se) planes in a single Fe-(As)Se trilayer structure, which is an analogy of the sign change under the $90^\circ$ degree rotation in the d-wave SC state of cuprates. Our derivation provides a unified understanding of iron-pnictides and iron-chalcogenides, and suggests that cuprates and iron-based superconductors share identical high-$T_c$ superconducting mechanism.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于铁砷化物与铁硫属化物是否共享相同的高-$T_c$ 超导机制的争议，尽管它们的费米面拓扑结构不同。
• 识别铁基超导体中 $s^\pm$ 配对的潜在低能电子结构，独立于多轨道复杂性。
• 证明角分辨光电子能谱（ARPES）实验中观测到的 $\cos k_x \cos k_y$ 形因子源于一个稳健的 $S_4$ 对称两轨道有效哈密顿量。
• 通过证明铁基体系中的 $A_{1g}$ $s$-波配对在规范变换下精确等价于铜氧化物中的 $d$-波配对，统一铜氧化物与铁基超导体的配对机制。
• 解释铁基超导体中沿 $c$-轴的超导序参量符号变化的物理起源，该现象是 $S_4$ 对称性的直接结果，而非费米面嵌套效应。

提出的方法

• 作者通过保持物理可观测量不变但揭示隐藏 $S_4$ 对称性的规范变换，从五轨道模型推导出一个有效两轨道哈密顿量。
• $S_4$ 对称性被识别为 $d_{xz}$ 与 $d_{yz}$ 轨道之间的动力学对称性，这两个轨道分别与 Fe-(As)Se 三明治结构中的上下 As/Se 面耦合。
• 该模型表明，次近邻（NNN）反铁磁交换相互作用（$J_2$）诱导出一个稳健的 $A_{1g}$ $s$-波配对态，该态通过规范变换可精确映射为铜氧化物中的 $d$-波配对。
• $S_4$ 对称性下的超导态分类预测了两种不同的相：A 相与 B 相，其中 B 相在 $c$-轴方向表现出 $\pi$ 相位跃迁。
• 作者利用群论与规范不变形式，证明 $S_4$ 对称性保护了形因子 $\cos k_x \cos k_y$，并使配对对微扰具有鲁棒性。
• 通过将模型预测（如实空间中的符号变化与 $2\Delta/T_c$ 比值）与铁砷化物和铁硫属化物中 ARPES 与隧道谱实验数据对比，验证了该模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管具有复杂的多轨道特性，铁基超导体中高-$T_c$ 超导性的根本低能电子结构是什么？
• RQ2 在最小有效模型中，如何解释 ARPES 实验中观测到的 $\cos k_x \cos k_y$ 形因子？
• RQ3 为何费米面拓扑结构不同的铁砷化物与铁硫属化物表现出相似的 $T_c$ 与 $2\Delta/T_c$ 比值？
• RQ4 铁基超导体中沿 $c$-轴的超导序参量符号变化的物理起源是什么？
• RQ5 铁基超导体中的 $s^\pm$ 配对是否在规范变换下与铜氧化物中的 $d$-波配对本质上等价？

主要发现

• 铁基超导体的低能物理由一个具有 $S_4$ 对称性的有效两轨道哈密顿量主导，该对称性保护了 $A_{1g}$ $s$-波配对态。
• 铁基超导体中的 $A_{1g}$ $s$-波配对通过规范变换与铜氧化物中的 $d$-波配对精确等价，暗示了统一的配对机制。
• 该模型预测了两种不同的超导相：在 B 相中，超导序参量在上下 As/Se 面之间的 $c$-轴方向发生 $\pi$ 相位跃迁。
• ARPES 中观测到的 $\cos k_x \cos k_y$ 形因子是 $S_4$ 对称性与 NNN 反铁磁交换相互作用（$J_2$）的直接结果，而非费米面嵌套效应。
• 铁砷化物与铁硫属化物中的 $2\Delta/T_c$ 比值均超过 BCS 理论的 3.52，与强耦合 $s^\pm$ 配对模型的预测一致。
• 该模型将电子向列态解释为 $S_4$ 对称性的自发破缺，且 $S_4$-不变模型为向列性、超导性与自旋涨落之间的微观相互作用提供了理论基础。