[论文解读] Ultranodal pair states in iron-based superconductors

Chandan Setty, Shinibali Bhattacharyya+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2019

Iron-based superconductors research被引用 3

一句话总结

本文提出，在铁基超导体中，当存在自旋-轨道耦合、间带配对以及时间反演对称性破缺时，即使主导的是自旋单重态的同带配对，系统仍可实现具有 Bogoliubov 费米面的拓扑超导态。该模型预测，在洁净系统中也会出现非零的零偏置态密度和剩余 Sommerfeld 系数，与 FeSe₁₋ₓSₓ 在向列相变附近的实验观测结果相似。

ABSTRACT

Bogoliubov Fermi surfaces are contours of zero-energy excitations that are protected in the superconducting state. Here we show that multiband superconductors with dominant spin singlet, intraband pairing of spin-1/2 electrons can undergo a transition to a state with Bogoliubov Fermi surfaces if spin-orbit coupling, interband pairing and time reversal symmetry breaking are also present. These latter effects may be small, but drive the transition to the topological state for appropriate nodal structure of the intra-band pair. Such a state should display nonzero zero-bias density of states and corresponding residual Sommerfeld coefficient as for a disordered nodal superconductor, but occurring even in the pure case. We present a model appropriate for iron-based superconductors where the topological transition associated with creation of a Bogoliubov Fermi surface can be studied. The model gives results that strongly resemble experiments on FeSe$_{1-x}$S$_x$ across the nematic transition, where this ultranodal behavior may already have been observed.

研究动机与目标

• 理解具有自旋单重态配对的多带超导体中 Bogoliubov 费米面的产生机制。
• 研究微弱自旋-轨道耦合与间带配对如何驱动拓扑相变。
• 解释 FeSe₁₋ₓSₓ 在向列相变过程中观测到的超节点行为。
• 构建一个能捕捉铁基体系中节点结构、时间反演对称性破缺与拓扑超导性之间相互作用的模型。

提出的方法

• 构建一个包含自旋-1/2 电子与自旋单重态同带配对的铁基超导体多带模型。
• 引入弱自旋-轨道耦合项与间带配对项，以破缺时间反演对称性。
• 分析超导能隙结构与准粒子激发谱，以识别零能等能线。
• 利用对称性与拓扑不变量对所得超导态进行分类。
• 绘制相图以识别进入具有 Bogoliubov 费米面的相变。
• 将模型预测与 FeSe₁₋ₓSₓ 的实验数据（尤其在向列相变附近）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在引入自旋-轨道耦合与间带配对后，具有自旋单重态同带配对的多带超导体是否能发展出 Bogoliubov 费米面？
• RQ2 时间反演对称性破缺在稳定具有零能费米面的拓扑超导态中起何种作用？
• RQ3 同带配对的节点结构与间带配对项如何共同影响拓扑序的出现？
• RQ4 该模型在多大程度上可解释 FeSe₁₋ₓSₓ 在向列相变过程中观测到的超节点行为？
• RQ5 在无无序的情况下，此类拓扑态在态密度与比热中的特征表现为何？

主要发现

• 引入自旋-轨道耦合与间带配对可在具有自旋单重态配对的多带超导体中诱导出具有 Bogoliubov 费米面的拓扑相变。
• 所得态即使在洁净极限下也表现出非零的零偏置态密度与剩余 Sommerfeld 系数，其行为类似于无序节点型超导体。
• 该模型重现了 FeSe₁₋ₓSₓ 在向列相变过程中的关键特征，表明超节点行为可能源于拓扑配对机制。
• Bogoliubov 费米面受对称性保护，其产生源于节点型同带配对与间带配对项之间的相互作用。
• 当同带配对具有特定节点结构时，微小的扰动（自旋-轨道耦合与间带配对）可驱动向拓扑态的相变。
• 该模型预测了一个具有独特谱学特征的稳健拓扑超导相，与铁基体系中的实验观测一致。