[論文レビュー] Andreev Reflection Spectroscopy of Topological Superconductor Candidate Nb$_x$Bi$_2$Se$_3$

C. Kurter, A. D. K. Finck+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2017

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、低温輸送測定および第一原理バンド計算を用いて、候補となるトポロジカル超伝導体であるNbドープBi2Se3におけるアンドレーエフ反射を調査した。臨界電流効果では説明できない、温度および磁場に依存するゼロバイアス電導率ピークの観測は、おそらくマジョナナ零モード由来の準粒子状態である準位内束状態の存在を支持する。バンド構造計算により、Nbのイントラカルーションがフェルミ準位近くにスピン分離された混合状態を誘発することが確認され、多バンド超伝導およびトポロジカル対称性の両者と整合的である。

ABSTRACT

We study unconventional superconductivity in thin exfoliated single crystals of a promising 3D topological superconductor candidate, Nb-doped Bi$_2$Se$_3$ through Andreev reflection spectroscopy and magneto-transport. Measurements of Andreev reflection in low and high resistance samples both show enhanced conductance around zero bias and conductance dips at the superconducting energy gap. Such behavior is inconsistent with conventional Blonder-Tinkham-Klapwijk theory of Andreev reflection. We discuss how our results are consistent with $p$-wave pairing symmetry, supporting the possibility of topological superconductivity in Nb-doped Bi$_2$Se$_3$.

研究の動機と目的

• アンドレーエフ反射分光法を用いてNbドープBi2Se3における準位内束状態を調べること。
• ゼロバイアス電導率ピークがトポロジカルマジョナナ状態由来であるか、従来の超伝導臨界電流効果由来であるかを特定すること。
• 第一原理計算を用いてNbのイントラカルーションがBi2Se3の電子状態に及ぼす変化を理解すること。
• 実験的電導スペクトルと予測された多バンド超伝導ギャップおよびスピン依存バンド構造を関連付けること。

提案手法

• 透明電極を備えた剥離したNb_xBi2Se3フラクタルを用いて、低温での微分電導率（dI/dV）測定を実施した。
• dI/dVの温度および磁場依存性を測定し、臨界電流効果と内在的束状態の区別を図った。
• 密度汎関数理論（DFT）を用い、PBE関数を用いてNbイントラカルーションされたBi2Se3スラブの電子バンド構造を計算した。
• 表面、層間、5重層内での異なるサイトにおけるNbのイントラカルーションをモデル化し、全エネルギー計算により最も安定した配置を特定した。
• スピン分解バンド構造を分析し、フェルミ準位近くのスピン分離状態を同定した。
• 計算されたバンド構造と実験的電導スペクトルを比較し、多ギャップ特徴が電子状態にどのように関連するかを検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Nb_xBi2Se3における観測されたゼロバイアス電導率ピークは、トポロジカルマジョナナ束状態由来であるか、それとも従来の超伝導臨界電流効果由来であるか？
• RQ2 Nbのイントラカルーションは、特にフェルミ準位近くのBi2Se3の電子バンド構造をどのように変化させるか？
• RQ3 Bi2Se3スラブにおけるNb原子の好ましいイントラカルーションサイトは何か？ また、電子的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ4 微分電導スペクトルにおける多ギャップ特徴は、Nb由来のスピン依存バンド混合によって説明可能か？
• RQ5 多バンド超伝導性の証拠は、トポロジカル超伝導対称性と整合的か？

主な発見

• Nb_xBi2Se3におけるゼロバイアス電導率ピークの強度は、温度上昇および磁場上昇に伴い減少し、臨界電流効果の予想とは矛盾する。
• 熱的および磁気的摂動によるゼロバイアス電導率の抑制は、有限の臨界電流由来ではなく、内在的準位内束状態の存在を支持する。
• 全エネルギー計算により、Nb原子はBi2Se3の5重層間の層間サイトに優先して配置することが確認された。
• Nbのイントラカルーションにより、フェルミ準位近くにスピン分離状態が誘発され、Bi2Se3のバンドギャップ内に3つのスピンアップ状態と1つのスピンダウン状態が存在する。
• スピン分解バンド構造は、NbとBi2Se3状態の強い混合を示しており、以前に観測された複数のフェルミ面と整合的である。
• 計算された電子状態は、実験的に観測されたアンドレーエフ電導スペクトルの多ギャップ特徴を説明でき、多バンド超伝導対称性の可能性を支持する。