作者:胡江平等 来源:Physical Review X 发布时间:2020/11/3 15:47:10
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非常规配对诱发的铁基高阶拓扑超导

 

近年来,铁基高温超导体,作为自赋性拓扑超导体,引起了广泛研究兴趣,理论研究表明铁基高温超导体是一个理想的实现Majorana零能模的体系。随后,实验组在多个铁基材料表面观测到Majorana零能模,揭开了在铁基超导体系中探寻Majorana零能模的序幕。这使得铁基超导体很有可能成为拓扑计算的载体。

但是,目前的研究与铁基超导态最根本的性质——非常规电子配对——没有直接联系。在有电子和空穴费米面的铁基超导体中,过去的理论研究预言了非常规s±配对——空穴型费米面和电子型费米面超导序参量反号。虽然这个预言得到了很多实验的间接支持,但是缺乏像在铜基高温超导对d-波配对那样直接的实验证据。

最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心凝聚态理论与材料计算实验室T06组胡江平研究员与美国宾西法利亚州立大学刘朝星教授,吴贤新(原物理所博士生),Wladimir Benalcazar, 维尔茨堡大学Ronny Thomale教授和上海理工大学的李殷翔(原物理所博士后),提出了一类基于铁基非常规配对的拓扑超导体。它们具有边界阻碍导致的高阶拓扑特征,而且具有由手性对称性保护的“角”或者“棱”(hinge) Majorana零能模式,并且预言112家族铁砷超导体系,由于具有本征量子自旋霍尔态-高温超导体的异质结,是理想的实现体系。图1给出了112家族(Ca,La)FeAs2 的晶体结构和费米面以及高阶拓扑形成的直观图像,图2给出了拓扑性质的计算结果。112家族的Tc最高达47K,而且该体系的拓扑性质也是由胡江平研究组最先预言 (X. Wu et al., Phys. Rev. B 91, 081111(R) (2015) )。

这项工作不仅首次在实际的材料体系中预言了高阶拓扑超导量子态,提供了一个可实现Majorana零能模新体系,更重要的是,将铁基的非常规配对和拓扑性质直接联系起来,由于拓扑性质的鲁棒性(robustness),提供了铁基超导体s±配对的决定性实验判别手段(smoking gun)。

本研究得到了科技部、国家自然科学基金委,以及科院先导项目的资助。文章发表在 Physical Review X, 10,041014 (2020)。(来源:中国科学院物理研究所)

文章链接:https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.10.041014

图1: (Ca,La)FeAs2 的晶体结构和费米面以及高阶拓扑形成的直观图像:(a) 晶体结构, (b) As1层的晶格模型,(c) (Ca,La)FeAs2费米面和超导序参量以及角上Majorana零能模形成的直观解释:蓝色和红色表示超导序参量的符号不同,灰色的圆表示两个棱交叉的角产生的Majorana零能模。

图2:拓扑性质的计算结果:(a)(010)边界态的边界绕数, (b)拓扑相变中边界绕数随体系尺寸的变化。(c) Majorana模式的能量(对数坐标)随体系尺寸的变化, (d) Majorana模式波函数实空间分布。

 
 
 
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