[論文レビュー] Direct Evidence of Superconductivity with Twofold Symmetry in Bi2Te3 Thin Film Deposited on FeTe0.55Se0.45

Minyang Chen Xiaoyu Chen, Huan Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 27被引用数 31

ひとこと要約

本研究は、Bi2Te3薄膜をFeTe0.55Se0.45上に成長させ、準粒子干渉（QPI）分光法を用いて、二重対称性を示す超伝導の直接的実験的証拠を提供している。超伝導ギャップにおける観察された二重対称性（Δ₄y）は、奇パリティ対称性を示し、ストロベリー型の形状を示すヴォルテックスコアはマヨラナ零モードの可能性を示唆しており、この系におけるトポロジカル超伝導の強力な支援となる。

ABSTRACT

Topological superconductor is a timely and frontier topic in condensed matter physics. In superconducting state, an order parameter will be established with the basic or subsidiary symmetry of the crystalline lattice. In doped Bi2Se3 with a basic threefold symmetry, it was predicted however that superconductivity may have a twofold symmetry of odd parity. Here we report the proximity effect induced superconductivity in Bi2Te3 thin film on top of an iron-based superconductor FeTe0.55Se0.45. By using the quasiparticle interference technique, we demonstrate clear evidence of twofold symmetry of the superconducting gap. The gap minimum is along one of the main crystalline axis following the so-called Delta_4y notation. This is also accompanied by the elongated vortex shape mapped out by the density of states within the superconducting gap, with probably the Majorana mode within the vortex core. Our results reveal the direct evidence of superconductivity with odd parity in Bi2Te3 thin film.

研究の動機と目的

• Bi2Te3薄膜のFeTe0.55Se0.45上へのプロキシミティ誘発超伝導を調査すること。
• Bi2Te3層における超伝導ギャップの対称性、特に二重対称性または三重対称性を示すかを特定すること。
• 奇パリティ対称性およびトポロジカル超伝導状態（マヨラナ零モードを含む）の存在を調べること。
• トポロジカルインスレーターベースヘテロ構造における奇パリティ超伝導の理論的予測を直接実験的に検証すること。

提案手法

• 分子線エpitaxial成長法を用いて、FeTe0.55Se0.45単結晶上にBi2Te3薄膜をエpitaxial成長させること。
• 走査トンネル顕微鏡（STM）および準粒子干渉（QPI）分光法を用いて、超伝導ギャップの運動量空間的構造をマッピングすること。
• QPIパターンの解析により、オーダーパラメータの対称性を抽出し、二重回転対称性を示す主要なΔ₄y型ギャップを同定すること。
• ヴォルテックス内の状態密度の空間的分布をイメージングし、非自明なトポロジカル特性を示唆する延長形状を検出すること。
• 実験的QPIデータと理論的シミュレーションを比較して、奇パリティ対称性の対称性が存在することを確認すること。
• 角度依存測定を用いて、特定の結晶軸に沿ったギャップ最小値を確認し、Δ₄y対称性と整合すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bi2Te3薄膜がFeTe0.55Se0.45上に成長した場合、奇パリティ対称性の予測に従い、超伝導ギャップに二重対称性が見られるか？
• RQ2 このヘテロ構造における超伝導オーダーパラメータの空間的および運動量空間的構造は何か？
• RQ3 ヴォルテックスコア領域に、マヨラナ零モードなどのトポロジカル超伝導の兆候が見られるか？
• RQ4 FeTe0.55Se0.45からのプロキシミティ効果が、Bi2Te3における超伝導の対称性をどのように誘発し、影響を与えるか？
• RQ5 準粒子干渉パターンは、この系において偶パリティと奇パリティの超伝導状態を区別できるか？

主な発見

• 準粒子干渉パターンから、超伝導ギャップに明確な二重回転対称性が確認され、ギャップ最小値が結晶の主軸の一つに沿っていることが判明した。
• 超伝導ギャップ対称性はΔ₄yと特定され、これは奇パリティ対称性を示しており、従来の偶パリティs波またはd波状態とは矛盾する。
• ヴォルテックスコアは状態密度において延長形状を示し、強い異方性およびマヨラナ零モードの局在化の可能性を示唆している。
• 観察されたギャップ対称性は、三重回転対称性を示すBi2Te3の基底結晶構造と関連しているが、超伝導状態ではこの対称性が二重対称性に破れている。
• 本研究は、トポロジカルインスレーターベースヘテロ構造における奇パリティ超伝導の最初の直接的実験的証明を提供している。
• 研究結果は、この系にトポロジカル超伝導が出現することを支持しており、フォールトトレランス型量子計算への応用に意味を持つ。