[論文レビュー] Enhanced Superconductivity in Monolayer $T_d$-MoTe$_2$ with Tilted Ising Spin Texture

Daniel Rhodes, Noah F. Q. Yuan+14 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2019

2D Materials and Applications参考文献 28被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、強い電子-電子相互作用および顕著な面外スピン軌道結合を示す傾いたイジングスピン構造を有する単層 Td-MoTe2 において、超伝導転移温度 (Tc) が60倍向上し、7.6 K に達することを示した。超伝導性はゲートでチューニング可能であり、傾いたイジングモデルに一致する特徴的な面内磁場応答を示し、コープル対を保護する頑健なスピン構造が確認された。

ABSTRACT

Crystalline two-dimensional (2D) superconductors with low carrier density are an exciting new class of materials in which superconductivity coexists with strong interactions, the effects of complex topology are not obscured by disorder, and electronic properties can be strongly tuned by electrostatic gating. Very recently, two such materials, 'magic-angle' twisted bilayer graphene and monolayer $T_d$-WTe$_2$, have been reported to show superconductivity at temperatures near 1 K. Here we report superconductivity in semimetallic monolayer $T_d$-MoTe$_2$. The critical temperature $T_ extrm{c}$ reaches 8 K, a sixty-fold enhancement as compared to the bulk. This anomalous increase in $T_ extrm{c}$ is only observed in monolayers, and may be indicative of electronically mediated pairing. Reflecting the low carrier density, the critical temperature, magnetic field, and current density are all tunable by an applied gate voltage, revealing a superconducting dome that extends across both hole and electron pockets. The temperature dependence of the in-plane upper critical field is distinct from that of $2H$ transition metal dichalcogenides (TMDs), consistent with a tilted spin texture as predicted by extit{ab initio} theory.

研究の動機と目的

• 2次元極限における内在的で低キャリア密度の単層 Td-MoTe2 の超伝導特性を調査すること。
• バルク状態の Td-MoTe2（120 mK）と比較して顕著な Tc の向上が生じる理由を特定すること。
• 高めの面内磁場下におけるスピン軌道結合およびスピン構造が超伝導性を安定化させる役割を解明すること。
• 清浄でカプセル化された2次元系における超伝導性の静電的チューニングを確立すること。
• 上臨界磁場の角度依存性を用いて、傾いたイジングスピン構造の存在を確認すること。

提案手法

• 高品質な単一結晶 Td-MoTe2 を自己フラックス法で合成し、不活性雰囲気下で機械的剥離を行った。
• 単層フラケットを六方晶窒化ホウ素（h-BN）の層間にカプセル化し、不純物の影響と環境劣化を最小限に抑えた。
• 気密性の高い h-BN カプセル化または事前にパターン化された接触埋め込み法を用いて、高品質でゲートチューナブルなデバイスを実現した。
• 上臨界磁場（Hc2）の異方性を調査するため、高磁場（最大18 T）および低温（30 mK まで）の条件下で輸送測定を実施した。
• 面内 Hc2(T) データを傾いたイジングスピン軌道結合モデルにフィッティングし、Δ⊥_so および Δ∥_so パラメータを抽出した。
• 密度汎関数理論（DFT）計算を用いて電子バンド構造およびスピン構造を計算し、観測されたスピン軌道分裂を理論的に裏付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単層 Td-MoTe2 におけるバルク状態と比較して顕著に向上した Tc の原因は何か？
• RQ2 単層 Td-MoTe2 のスピン構造は、面内磁場下における超伝導性の応答にどのように寄与しているか？
• RQ3 単層 Td-MoTe2 の超伝導性は、静電的ゲートでどの程度チューニング可能か？
• RQ4 単層 Td-MoTe2 のスピン軌道結合の性質は何か？また、傾いたイジングスピン構造を示すか？
• RQ5 スピン軌道結合以外に、この系における上臨界磁場を制限する要因は存在するか？

主な発見

• 単層 Td-MoTe2 の臨界温度（Tc）は 7.6 K に達し、バルク状態の 120 mK と比較して60倍向上した。
• 面内上臨界磁場（Hc2）は、従来のスピン軌道結合に期待される平方根温度依存性とは著しく異なる挙動を示し、傾いたイジングスピン構造モデルと整合的であった。
• Hc2(T) データのフィッティングから、1つの試料（S1）では Δ⊥_so ≈ 2.34 meV、Δ∥_so / Δ⊥_so ≈ 15% が得られ、別の試料（S2）では約 4.6% の低い比が得られ、試料依存のスピン構造異方性が示された。
• Klemm-Luther-Beasley モデルは低温域で Hc2 を過大評価しており、系がドリーティ・リミットではなくクリーン・リミットにあることが示された。
• 観測されたスピン構造およびスピン軌道結合パラメータは、DFTで計算されたバンド構造と良好に一致した。
• 試料間での Hc2/Hp 比の乖離は、スピン軌道パリティ結合（SOPC）などの追加機構が存在することを示唆しており、これにより Hc2 がさらに向上している可能性がある。