[论文解读] Spin fluctuations and superconductivity in KxFe{2-y}Se2

Andreas Kreisel, Yan Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2013

Iron-based superconductors research被引用 4

一句话总结

本研究利用从密度泛函理论（DFT）能带构建的三维十轨道紧束缚模型，结合随机相位近似（RPA）处理电子关联，研究了KxFe2−ySe2中的自旋涨落介导超导性。结果发现，主导的配对通道为d波配对，其节点位于电子费米口袋上，且节点的拓扑结构（水平、环状或垂直）随电子结构而变化；自旋-轨道耦合增强了以M为中心的电子口袋之间的杂化，并稳定了具有成键-反键特性的亚主导s±-波配对态。

ABSTRACT

Superconductivity in alkali-intercalated iron selenide, with T_c's of 30K and above, may have a different origin than that of the other Fe-based superconductors, since it appears that the Fermi surface does not have any holelike sheets centered around the Gamma point. Here we investigate the symmetry of the superconducting gap in the framework of spin-fluctuation pairing calculations using density functional theory bands downfolded onto a three-dimensional (3D), ten-orbital tight-binding model, treating the interactions in the random-phase approximation (RPA). We find a leading instability towards a state with d-wave symmetry, but show that the details of the gap function depend sensitively on electronic structure. As required by crystal symmetry, quasi-nodes on electron pockets always occur, but are shown to be either horizontal, looplike or vertical depending on details. A variety of other 3D gap structures, including bonding-antibonding s-symmetry states which change sign between inner and outer electron pockets are found to be subdominant. We then investigate the possibility that spin-orbit coupling effects on the one-electron band structure, which lead to enhanced splitting of the two M-centered electron pockets in the 2-Fe zone, may stabilize the bonding-antibonding s_+/- wave states. Finally, we discuss our results in the context of current phenomenological theories and experiments.

研究动机与目标

• 确定KxFe2−ySe2中超导能隙的对称性与结构，其中常规的s±配对机制因缺乏空穴型费米面而受到挑战。
• 评估三维电子结构与自旋-轨道耦合在稳定非传统超导态中的作用。
• 将三维RPA自旋涨落理论的预测与二维模型及实验观测进行比较，尤其关注能隙节点的拓扑结构。
• 评估自旋-轨道耦合如何改变费米面，并在缺乏空穴口袋的条件下促进成键-反键s±-波配对态。

提出的方法

• 利用最大局域化Wannier函数从DFT能带构建三维十轨道紧束缚模型，精确描述轨道与动量空间结构。
• 采用随机相位近似（RPA）处理电子-电子相互作用，计算超导通道中的自旋涨落配对顶点。
• 求解线性化Gap方程以识别主导超导不稳定性并确定能隙函数的对称性。
• 通过哈密顿量中引入经验参数λ³d_Fe ≈ 0.06 eV的自旋-轨道耦合项，修正费米能级附近的能带结构。
• 利用Wannier函数投影与k空间采样（最高达7500个k点）确保能带结构与费米面计算的收敛性。
• 分析自旋-轨道耦合对以M为中心的电子口袋杂化及其对配对对称性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 当缺乏空穴型费米面时，KxFe2−ySe2中的主导超导配对对称性是什么？
• RQ2 超导能隙节点的拓扑结构（如水平、环状、垂直）在多大程度上依赖于电子结构的细节？
• RQ3 自旋-轨道耦合在多大程度上增强了以M为中心的电子口袋之间的杂化，并稳定了s±-波配对？
• RQ4 与简化二维模型相比，全三维十轨道模型在预测能隙结构方面有何不同？
• RQ5 实验中观测到的能隙结构是否能通过包含真实能带参数的三维框架中的自旋涨落配对机制加以解释？

主要发现

• 主导的超导不稳定性为d波配对态，其能隙节点位于电子费米口袋上，且节点的拓扑结构（水平、环状或垂直）对电子结构细节极为敏感。
• 具有成键-反键特性的s±-波配对态（在内层与外层以M为中心的电子口袋之间符号相反）虽为亚主导，但受自旋-轨道耦合稳定。
• 自旋-轨道耦合增加了在两铁原胞布里渊区中两个以M为中心的电子口袋之间的能级劈裂，增强其杂化，有利于s±-波配对。
• 基于DFT的三维十轨道紧束缚模型成功捕捉了在二维近似中无法获得的对称性保护准节点结构。
• 费米面与能带结构与ARPES数据定性一致，支持该有效模型在超导区域的有效性。
• 引入自旋-轨道耦合（λ³d_Fe ≈ 0.06 eV）在费米能级附近产生可观测的能带劈裂，从而影响配对通道的竞争。