[論文レビュー] Discovery of the topological surface state in a noncentrosymmetric superconductor BiPd

Madhab Neupane, Nasser Alidoust+10 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、高分解能角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、非対称中心を有する超伝導体BiPdにおいて、初めて実験的にトポロジカルな表面状態が発見されたことを報告している。表面状態のディラック点はフェルミ準位から約700 meV下に位置し、Bi 6p状態とPd 4p状態のバンド反転に起因するものであり、第一原理計算によって確認された。これにより、反転対称性の欠如下でBiPdがトポロジカル絶縁体であることが確立されたが、フェルミ準位近くにトポロジカルな表面状態が観測されないことは、本来の状態ではトポロジカル超伝導性が成立しないことを示唆している。

ABSTRACT

Recently, noncentrosymmetric superconductor BiPd has attracted considerable research interest due to the possibility of being a topological superconductor. Here, we report a systematic high-resolution angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) study of the normal state electronic properties of BiPd. Our experimental results show the presence of a surface state at higher binding energy with the location of Dirac point at around 700 meV below the Fermi level. The detailed photon energy and temperature dependent measurements complemented by our first-principles calculations provide further evidence for the presence of the topological surface state at high binding energy. The absence of topological surface states near the Fermi level negates the possibility of the topological superconducting behavior in the surface of this material. Our first direct experimental discovery of a topological surface state in BiPd provides novel information that will guide the future search for topological superconductivity in noncentrosymmetric materials.

研究の動機と目的

• BiPdのような非対称中心を有する超伝導体がトポロジカルな表面状態を有するかどうかを特定すること。これは、トポロジカル超伝導性の実現に寄与する可能性がある。
• 特にトポロジカルな表面状態の有無にかかわる、BiP5dの電子構造に関する長年の曖昧さを解消すること。
• 金属系系においてスピン軌道結合、反転対称性の欠如、およびトポロジカルな表面状態の間の直接的な実験的関連を確立すること。
• 正常状態の電子構造を特定することで、今後の非対称中心材料におけるトポロジカル超伝導性の探索に基盤を提供すること。

提案手法

• 高分解能角度分解光電子分光法（ARPES）は、ALSビームライン10.0.1およびSSRLビームライン5-4で実施され、エネルギー分解能は20 meV未満、角度分解能は0.2°未満であった。
• BiPd単結晶のイン・スイット切断は、10 K〜80 Kの温度範囲で超高真空（<10⁻¹⁰ torr）下で行い、表面の品質を保持した。
• 第一原理計算は、一般化勾配近似（GGA）における射影波動関数加重法（projector augmented-wave method）を用い、スピン軌道結合を自己無撞着に含めた。
• 表面効果を模擬するために、(010)面の1×5×1スーパーセルモデルを用い、真空層の厚さは20 Å以上に設定した。
• 光子エネルギーおよび温度依存性ARPES測定を用いて、表面状態の運動量およびエネルギー分散を確認した。
• 理論的分析は、Bi 6pおよびPd 4p状態間のバンド反転および表面状態のスピン極化に焦点を当て、トポロジカル起源の確認を目的とした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第一原理計算で予測されているように、非対称中心を有する超伝導体BiPdはトポロジカルな表面状態を有するか？
• RQ2 表面状態のディラック点はフェルミ準位に対してエネルギー的にどこに位置し、スピン極化されているか？
• RQ3 ARPES測定は、BiPdにおけるトポロジカルな表面状態と自明な表面状態を区別できるか？
• RQ4 強いスピン軌道結合が存在するにもかかわらず、フェルミ準位近くにトポロジカルな表面状態の証拠が観測されないのはなぜか？
• RQ5 ゲーティングや表面付加によってフェルミ準位をチューニングすることで、BiPdにトポロジカル超伝導性を誘発できるか？

主な発見

• フェルミ準位から約700 meV下に位置するディラック点を有するトポロジカルな表面状態が、BiPdで実験的に発見された。
• 表面状態は、第一原理計算により確認されたBi 6pおよびPd 4p状態間のバンド反転に起因する。
• 表面状態はヘリカルスピン極化を示し、そのトポロジカル起源を強く示唆する。
• フェルミ準位近くにトポロジカルな表面状態が観測されないことは、BiPdの本来の表面状態ではトポロジカル超伝導性が成立しないことを排除する。
• 反転対称性の欠如下ではトポロジカル絶縁体としての性質を示すが、価電子帯の反転により、従来のトポロジカル絶縁体とは異なる。
• フェルミ準位の電気的ゲーティングや表面付加によるチューニングにより、BiPdにおけるトポロジカル超伝導性の実現が可能である可能性が示唆された。