[論文レビュー] Evidence of nodal superconductivity in monolayer 1H-TaS$_2$ with hidden order fluctuations

Viliam Vaňo, Somesh Chandra Ganguli+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 53被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、低温走査トンネル顕微鏡および分光法を用いて、真性モノレイヤー 1H-TaS₂ におけるノード状の超伝導性の直接的証拠を提供している。研究者たちは、超伝導ギャップが V 字型を示し、フェルミ準位付近に多数体励起状態が観察され、磁場下の正常状態に疑似ギャップが現れる——これらは非単純超伝導性の主要な特徴である——一方、非磁性不純物が導入されると、常識的 s 波ペアリングへと遷移する。

ABSTRACT

Unconventional superconductors represent one of the fundamental directions in modern quantum materials research. In particular, nodal superconductors are known to appear naturally in strongly correlated systems, including cuprate superconductors and heavy-fermion systems. Van der Waals materials hosting superconducting states are well known, yet nodal monolayer van der Waals superconductors have remained elusive. Here, using low-temperature scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) experiments, we show that pristine monolayer 1H-TaS$_2$ realizes a nodal superconducting state. By including non-magnetic disorder, we drive the nodal superconducting state to a conventional gapped s-wave state. Furthermore, we observe the emergence of many-body excitations close to the gap edge, signalling a potential unconventional pairing mechanism. Our results demonstrate the emergence of nodal superconductivity in a van der Waals monolayer, providing a building block for van der Waals heterostructures exploiting unconventional superconducting states.

研究の動機と目的

• 真性モノレイヤー 1H-TaS₂ における非単純超伝導性の同定、これは以前、ノード状であると確認されていなかったvan der Waals材料である。
• 電子相関および多数体フラクチュエーションが非単純ペアリングを安定化させる役割を調査する。
• 非磁性不純物に対する超伝導性の応答を調べ、ペアリング対称性に与える影響を特定する。
• モノレイヤー 1H-TaS₂ が、非単純超伝導状態を有するvan der Waalsヘテロ構造を設計するための基盤として機能することを確立する。

提案手法

• 超高真空下で 350 mK で低温走査トンネル顕微鏡（STM）および分光法（STS）を実施した。
• dI/dV スペクトルは、911 Hz の変調周波数とオープンフィードバックループ構成を用いたロックイン検出により記録された。
• 島サイズに起因するアーティファクトを避けるために、広範囲のモノレイヤー領域で定電流モードでSTM像を取得した。
• 理論的バンド構造およびフェルミ表面計算を用いて、スピン軌道結合に起因するスピン分離を含む実験データを解釈した。
• 電子スペクトルの磁場依存性を測定し、疑似ギャップ形成を調査した。
• 非磁性不純物を導入して、ノード状態の安定性と s 波ペアリングへの遷移をテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真性モノレイヤー 1H-TaS₂ はノード状超伝導状態を有しており、非単純ペアリングを示すか？
• RQ2 超伝導状態においてフェルミ準位付近に観察された低エネルギー多数体励起状態の性質は何か？
• RQ3 非磁性不純物はモノレイヤー 1H-TaS₂ における超伝導ペアリング対称性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 垂直方向の磁場を印加することで、正常状態に疑似ギャップが誘発されるか？これは他の非単純超伝導体と同様の現象である。
• RQ5 モノレイヤー 1H-TaS₂ は、設計された非単純超伝導状態を有するvan der Waalsヘテロ構造の機能的ブロックとして利用可能か？

主な発見

• モノレイヤー 1H-TaS₂ は dI/dV スペクトルにおいて V 字型の超伝導ギャップを示し、これは常識的BCS理論と整合せず、ノード状ペアリングを示唆する。
• 多数体励起状態が超伝導ギャップ内にフェルミ準位付近に現れ、非単純ペアリングチャネルへの結合を示唆する。
• 垂直方向の磁場を印加することで、正常状態に疑似ギャップが誘発され、これは非単純超伝導体における事前形成ペアの特徴である。
• 非磁性不純物の導入により、ノード状超伝導状態から常識的 s 波超伝導状態への遷移が誘導された。
• 清浄なモノレイヤーvan der Waals材料において、ノード状超伝導性と低エネルギー多数体フラクチュエーションの共存は、その非単純性を裏付ける。
• 本研究の結果により、モノレイヤー 1H-TaS₂ が相関超伝導を探索する基盤として、および特異な量子状態を有する人工ヘテロ構造を設計するための有効なプラットフォームであることが確立された。