Краевые состояния в экситонном диэлектрике и синглетном сверхпроводнике с неколлинеарным спиновым порядком

Институт физики СО РАН

Авторы: сотрудники лаборатории теоретической физики.

Известно, что спин-орбитальное взаимодействие и инвертированный характер электронной структуры имеют существенное значение для реализации топологического изолятора. Для него топологический индекс имеет нетривиальное значение и в геометрии открытых границ возникают краевые состояния. В топологических материалах с синглетной сверхпроводимостью спин-орбитальная связь способна индуцировать особые краевые состояния – майорановские связанные состояния (МСС).

Инвертированность зонной структуры является существенной и для формирования экситонного диэлектрика (ЭД). В работе [1] на примере энергетической структуры квантовой ямы HgTe рассмотрены фазы ЭД, различающиеся симметрией экситонного параметра порядка (ЭПП). Показано, что в ЭД спин-орбитальное взаимодействие при учете обменной части кулоновского взаимодействия приводит к формированию краевых состояний. Без обменного взаимодействия стабильной является только s–фаза с тривиальной топологией. При включении обменного взаимодействия основным состоянием ЭД становится фаза с s+d–симметрией ЭПП. Главная особенность s+d–фазы заключается в том, что для нее топологический инвариант имеет нулевое значение, но, несмотря на это, в геометрии открытых границ реализуются краевые состояния (см. рисунок).

В работе [2] доказано, что неколлинеарное 120-градусное спиновое упорядочение в синглетном сверхпроводнике на треугольной решетке даже в отсутствии спин-орбитального взаимодействия приводит к реализации МСС. Впервые определен топологический инвариант такой системы. Показано [3], что нетривиальное значение топологического индекса электронной структуры такой системы сохраняется при малых концентрациях допирования даже при учете сильных электронных корреляций.

Рисунок: Слева – Энергетический спектр фермионных состояний s+d–фазы ЭД при учете спин-орбитального взаимодействия в геометрии открытых границ. Фермиевские состояния, соответствующие двум ветвям спектра, расположенным в запрещенной зоне (зеленая и красная линии) со значениями квазиимпульса, находящимися в окрестности центра зоны Бриллюэна, являются краевыми. Справа – Энергетический спектр в фазе сосуществования сверхпроводимости и неколлинеарного магнетизма в геометрии открытых границ. Возникновение ветвей спектра (красные сплошные линии), расположенных внутри сверхпроводящей щели, свидетельствует о реализации краевых состояний при квазиимпульсах вблизи k2 = 0, k2 = ± 2π/3. Для нулевой энергии при k2 = 2π/3 формируются майорановские моды.

Публикации:

  1. Вальков В.В. Краевые состояния экситонного диэлектрика со спин-орбитальным взаимодействием // Письма в ЖЭТФ. – 2020 – том 111 – вып. 11 – с. 772-777. (IF WoS – 1.399, Q3)
  2. Val’kov V.V., Zlotnikov A.O., Shustin M.S. The nontrivial ground state topology in the coexistence phase of chiral d-wave superconductivity and 120-degree magnetic order on a triangular lattice // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 2018. – Vol. 459. – P. 112–117. (IF WoS – 2.717, Q2)
  3. Вальков В.В., Злотников А.О. Устойчивость фазы сосуществования киральной сверхпроводимости и неколлинеарного спинового упорядочения с нетривиальной топологией при сильных электронных корреляциях // Письма в ЖЭТФ. – 2019 – том 109 – вып. 11 – с. 769-777. (IF WoS – 1.399, Q3)