[论文解读] Topological Superconductivity in an s-wave Superconductor and Its Implication to Iron-based Superconductors

Shengshan Qin, Chen Fang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

该论文表明，在具有中心对称性的非平移对称晶格中——特别是铁基超导体的P4/nmm空间群——s波超导态可在镜像对称性保护下实现二阶拓扑超导。它识别出一种符号改变的s波配对态作为拓扑相，在(10)晶界上拥有2Z简并的狄拉克锥，在(11)/(11̄)角上拥有Z对马约拉纳零能模，为解决铁基超导体中配对对称性的争议提供了可观测的实验证据。

ABSTRACT

In the presence of both space and time reversal symmetries, an s-wave A1g superconducting state is usually topologically trivial. Here we demonstrate that an exception can take place in a type of nonsymmorphic lattice structures. We specify the demonstration in a system with a centrosymmetric space group P4/nmm, the symmetry group that governs iron-based superconductors, by showing the existence of a second-order topological state protected by a mirror symmetry. The topological superconductivity is featured by 2Z degenerate Dirac cones on the (1,0) edge, and Z pairs of Majorana modes at the intersection between the (1,1) and (1,-1) edges. The topological invariance and Fermi surface criterion for the topological state are provided. Moreover, we point out that the previously proposed s-wave state in iron-based superconductors, which features a sign-changed superconducting order parameter between two electron pockets, is such a topological state. Thus, these results not only open a new route to pursue topological superconductivity, but also establish a measurable quantity to settle one long-lasting debate on the pairing nature of iron-based superconductors.

研究动机与目标

• 探究在时间反演和空间反演对称性下，中心对称、非平移对称晶格中的s波超导态是否仍可实现非平凡拓扑序。
• 建立此类系统中二阶拓扑超导态的拓扑不变量与费米面判据。
• 将铁基超导体中的符号改变s波配对态识别为二阶拓扑超导态的候选态。
• 提供一种可观测、实验可探测的特征（边缘狄拉克锥与角上马约拉纳零能模），以解决铁基超导体中长期存在的配对对称性争议。

提出的方法

• 分析P4/nmm空间群（铁基超导体的特征）以识别非平移对称性（特别是滑移镜像和螺旋旋转）如何在s波超导体中实现拓扑态。
• 在A1g配对通道中构建受镜像对称性保护的二阶拓扑超导态，其绕数为2Z。
• 推导边缘模式的有效哈密顿量，显示具有空间变质量项的狄拉克型理论，从而在角上局域化马约拉纳零能模。
• 基于费米面的拓扑结构与超导配对参数的对称性，提出一种费米面判据，以识别拓扑相。
• 使用包含五个d轨道和自旋-轨道耦合的紧束缚模型模拟单层FeSe的正常态，并将参数拟合至实验能带结构。
• 采用符号改变的s波配对形式Δ₀ + 2Δ₁(cos kₓ + cos kᵧ)来建模超导态，并通过数值边缘态计算确认其拓扑特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中心对称、非平移对称晶格（如铁基超导体）中的s波超导态是否可实现非平凡拓扑序？
• RQ2 此类拓扑超导态受哪些拓扑不变量与对称性保护？
• RQ3 此前提出的铁基超导体中符号改变的s波配对态是否对应于二阶拓扑超导体？
• RQ4 该配对态的拓扑性质是否可通过边缘态与角态实验探测？

主要发现

• 在P4/nmm晶格中，s波超导态由于镜像对称性保护而表现出二阶拓扑超导性，尽管存在时间反演与空间反演对称性。
• 在(10)晶界上，镜像对称性得以保留，系统表现出2Z简并的狄拉克锥，表明具有非平凡的拓扑不变量。
• 在(11)与(11̄)晶界相交处，局域化着Z对马约拉纳零能模，其源于边缘哈密顿量中有效质量项的域壁结构。
• 费米面判据表明，当费米面包围超导配对参数符号相反的区域时，系统呈现拓扑超导态，与符号改变的s波配对一致。
• 此前基于ARPES与隧道谱数据提出的铁基超导体中符号改变的s波配对态，被证实为具有可观测边缘态与角态的二阶拓扑超导体。
• 单层FeSe的数值模拟结果证实，在符号改变的s波配对下，(10)晶边上存在两个简并的马约拉纳锥，验证了理论预测。