Vortex-line topology in iron-based superconductors with and without second-order topology

马约拉纳 物理 塞曼效应 拓扑(电路) 涡流 超导电性 凝聚态物理 零模式 拓扑序 量子力学 磁场 量子 数学 组合数学 热力学
作者
Majid Kheirkhah,Zhongbo Yan,F. Marsiglio
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:103 (14) 被引量:31
标识
DOI:10.1103/physrevb.103.l140502
摘要

The band topology of a superconductor is known to have profound impact on the existence of Majorana zero modes in vortices. As iron-based superconductors with band inversion and $s_{\pm}$-wave pairing can give rise to time-reversal invariant second-order topological superconductivity, manifested by the presence of helical Majorana hinge states in three dimensions, we are motivated to investigate the interplay between the second-order topology and the vortex lines in both weak- and strong-Zeeman-field regimes. In the weak-Zeeman-field regime, we find that vortex lines far away from the hinges are topologically nontrivial in the weakly doped regime, regardless of whether the second-order topology is present or not. However, when the superconductor falls into the second-order topological phase and a topological vortex line is moved close to the helical Majorana hinge states, we find that their hybridization will trivialize the vortex line and transfer robust Majorana zero modes to the hinges. Furthermore, when the Zeeman field is large enough, we find that the helical Majorana hinge states are changed into chiral Majorana hinge modes and thus a chiral second-order topological superconducting phase is realized. In this regime, the vortex lines are always topologically trivial, no matter how far away they are from the chiral Majorana hinge modes. By incorporating a realistic assumption of inhomogeneous superconductivity, our findings can explain the recent experimental observation of the peculiar coexistence and evolution of topologically nontrivial and trivial vortex lines in iron-based superconductors.
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