[論文レビュー] Beyond Spin-Triplet: Nodal Topological Superconductivity in a Noncentrosymmetric Semimetal

Hyunsoo Kim, Kefeng Wang+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、非中心対称半ヘスラー構造における $j=3/2$ フェルミオンから生じるスピン三重項に類似したペアリングを示す、新しいノードを持つトポロジカル超伝導体であるYPtBiの提案を行う。London透過深度の線形温度依存性から、超伝導ギャップにラインノードが存在することが実験的に示され、$p$-型の $\Gamma_8$ バンドの $\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}$ モデリングによって裏付けられており、高い全角運動量と内在的なトポロジカル秩序を持つ $J=3$ セプテットペアリング状態であることが示唆される。

ABSTRACT

The discovery of superconductivity in the rare earth-based half-Heusler semimetals RTBi (R=rare earth, T=Pt, Pd) has opened a new avenue for investigation of topological phases of matter. With charge carrier densities several orders of magnitude lower than conventional metals, these materials pose a challenge for investigating the nature of the superconducting state, which itself may have inherent topological properties. Here, we report experimental evidence for an unconventional superconducting state in YPtBi, which presents a striking linear temperature dependence of the London penetration depth consistent with line nodes in the superconducting order parameter $\Delta$. With strong antisymmetric spin-orbit coupling giving rise to spin-split Fermi surfaces -- as verified by angle-dependent Shubnikov-de Haas oscillations and angle-resolved photoemission spectroscopy -- we propose a $\mathbf{k\cdot p}$ model of $j=3/2$ fermions that naturally leads to exotic nodal Cooper pairing states with high total angular momentum. With the simplest gap model involving a dominant $J=3$ septet pairing between the $j=3/2$ fermions of the $p$-like $\Gamma_8$ band, the topological pairing states in this half-Heusler compound present a truly novel form of superconductivity that has strong potential for leading the development of a new series of topological superconductors.

研究の動機と目的

• 非中心対称半ヘスラー半金属で、低電荷キャリア密度を示すYPtBiにおける非単純な超伝導状態を調査すること。
• YPtBiにおける超伝導状態が、特にオーダーパラメータにおけるノード構造を含めてトポロジカル性を示すかどうかを特定すること。
• 強いスピン軌道結合と $j=3/2$ フェルミオンが、高い全角運動量を持つ特異なクーペルペアリング状態を生じる理論的枠組みを確立すること。
• スピン分離フェルミ面を内蔵する系における超伝導ペアリング対称性の性質とそのトポロジカル特性を特定すること。

提案手法

• 超伝導ギャップの対称性およびノード構造を調べるため、London透過深度 $\lambda(T)$ の測定。
• スピン分離フェルミ面構造をマッピングし、強い非対称的スピン軌道結合を確認するための角度依存シャブニコフ＝デ・ハース振動の測定。
• $p$-型 $\Gamma_8$ バンドおよび $j=3/2$ フェルミオン状態を直接観測するための角度分解光電子分光法（ARPES）。
• $j=3/2$ フェルミオンの低エネルギー電子構造を記述するための $\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}$ 有効ハミルトニアンモデルの構築。
• $j=3/2$ マニフォールドにおけるクーペルペアリングの理論的分析を行い、高い全角運動量を持つ主要な $J=3$ セプテットペアリングチャネルに注目する。
• ギャップ対称性およびノード構造に基づいて、得られた超伝導状態のトポロジカル特性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YPtBiにおける超伝導状態が、London透過深度の温度依存性によって示唆されるように、オーダーパラメータにラインノードを示すか。
• RQ2 YPtBiにおける強い非対称的スピン軌道結合が、スピン分離フェルミ面を生じさせ、ペアリング対称性にどのように影響するか。
• RQ3 $\Gamma_8$ バンドにおける $j=3/2$ フェルミオンの $\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}$ モデルが、観測された非単純な超伝導性を説明できるか。
• RQ4 YPtBiにおけるクーペルペアリング状態の性質は何か。また、非自明な不変量を有するトポロジカル超伝導を支持するか。
• RQ5 YPtBiにおける超伝導ペアリングは、$J=3$ セプテットチャネルによって最もよく記述されるか。これは、従来のスピンスイングル状態やスピン三重項ペアリングとどのように異なるか。

主な発見

• YPtBiにおけるLondon透過深度は線形温度依存性を示し、超伝導ギャップ関数にラインノードが存在する直接的な実験的証拠を提供する。
• 角度依存シャブニコフ＝デ・ハース振動の測定により、強い非対称的スピン軌道結合に起因するスピン分離フェルミ面の存在が確認された。
• 角度分解光電子分光法により、$p$-型 $\Gamma_8$ バンドに $j=3/2$ フェルミオンが存在し、強いスピン軌道エンタングルメントを示すことが確認された。
• $\Gamma_8$ バンドにおける $j=3/2$ フェルミオンの $\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}$ モデルが構築され、高い全角運動量を持つ特異なノードを持つクーペルペアリング状態を自然に支持することがわかった。
• 主要ペアリングチャネルは、$j=3/2$ フェルミオン間の $J=3$ セプテットペアリングとして特定され、従来のスピン三重項やスピンスイングル状態とは異なる、新しい形のトポロジカル超伝導をもたらす。
• 得られた超伝導状態はトポロジカル的に非自明であり、YPtBiは高い角運動量ペアリングを示す新しいクラスのトポロジカル超伝導体のプロトタイプであると示唆される。