[论文解读] Sensitivity of superconducting states to the impurity location in layered materials

Bastian Zinkl, Aline Ramires|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 47被引用 6

一句话总结

本文研究了杂质位置（局域、间隙、插层于范德华间隙中或极性）对层状Bi2Se3基材料超导性的影响。通过有效双轨道模型和散射矩阵分析，发现仅对称散射分量起作用，导致极性杂质完全无效，并揭示了质量不对称项可增强对插层杂质的鲁棒性，从而解释了这些超导体中异常的无序耐受性。

ABSTRACT

The family of multi-layered superconductors derived from the doped topological insulator Bi$_2$Se$_3$ has been found to be unusually robust against non-magnetic disorder. Recent experimental studies have highlighted the fact that the location of impurities could play a critical role for this puzzling robustness. Here we investigate the effects of four different types of impurities, on-site, interstitial, intercalated and polar, on the superconducting critical temperature. We find that different components of the scattering potential are active depending on the impurity configuration and choice of orbitals for the effective low-energy description of the normal state. For the specific case of Bi$_2$Se$_3$-based superconductors, we find that only the symmetric share of impurity configurations contribute to scattering, such that polar impurities are completely inactive. We also find that a more dominant mass-imbalance term in the normal-state Hamiltonian can make the superconducting state more robust to intercalated impurities, in contrast to the case of on-site or interstitial impurities.

研究动机与目标

• 理解掺杂Bi2Se3超导体中对非磁性无序增强鲁棒性的起源。
• 分析不同杂质构型（局域、间隙、插层、极性）对超导临界温度的影响。
• 根据杂质位置和轨道基底，确定散射势中哪些分量是活跃的。
• 在层状多轨道系统中检验广义安德森定理和超导适应性概念。
• 为实验中观察到的CuxBi2Se3和NbxBi2Se3等材料的异常无序耐受性提供微观解释。

提出的方法

• 基于Bi2Se3五原子层中的pz轨道成键态与反键态，构建了有效双轨道模型。
• 利用幺正变换将杂质构型（局域、间隙、插层、极性）映射到层和轨道基底中。
• 在不同轨道基底选择下（例如{P1+, P2−}或{P1+, P1−}），计算各类杂质的散射矩阵。
• 利用广义安德森定理和超导适应性框架评估有效散射速率。
• 分析对称与反对称散射分量在决定临界温度抑制中的作用。
• 通过对称性论证和轨道依赖性散射，确定哪些杂质是活跃或非活跃的。

实验结果

研究问题

• RQ1 杂质位置（局域、间隙、插层、极性）如何影响Bi2Se3基材料中超导临界温度的抑制？
• RQ2 对于不同杂质构型和轨道基底，散射势的哪些分量（对称与反对称）是相关的？
• RQ3 为何极性杂质尽管存在，却在超导态中完全无效？
• RQ4 在正常态哈密顿量中存在质量不对称项时，与局域或间隙缺陷相比，其对插层杂质的鲁棒性如何变化？
• RQ5 低能轨道基底的选择在多大程度上影响超导性对无序的敏感性？

主要发现

• 仅散射势的对称部分对临界温度抑制有贡献，由于极性杂质的对称性质，使其完全无效。
• 当正常态哈密顿量中主导质量不对称项时，插层杂质引起的散射强于局域或间隙杂质。
• 与局域或间隙缺陷相比，正常态中质量不对称性越强，超导性对插层杂质的鲁棒性越强。
• 轨道基底的选择（例如{P1+, P2−}与{P1+, P1−}）会改变散射矩阵分量的相关性，从而影响有效无序强度。
• 广义安德森定理和超导适应性框架成功解释了Bi2Se3基超导体中异常的无序耐受性。
• 结果阐明了为何在CuxBi2Se3和NbxBi2Se3中的实验观测显示临界温度抑制极小，这与杂质位置和轨道对称性密切相关。