[論文レビュー] Fermiology and Superconductivity of Topological Surface States in PdTe$_2$

Oliver J. Clark, Matthew Neat+16 more|Tokyo Tech Research Repository (Tokyo Institute of Technology)|Dec 12, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、Te $p$-軌道における層間 hopping によるバンド反転によって生じるスピン偏極したトポロジカルな表面状態と複雑なマルチバレーのフェルミ面を示す純粋な PdTe₂ が、スキャントンネル分光法により従来の s 波超伝導性を示し、完全にギャップのあるノードなしの超伝導状態であることが明らかになった。これは、トポロジカルな表面状態だけではトポロジカル超伝導を誘起するには不十分であることを示している。

ABSTRACT

We study the low-energy surface electronic structure of the transition-metal dichalcogenide superconductor PdTe$_2$ by spin- and angle-resolved photoemission, scanning tunneling microscopy, and density-functional theory-based supercell calculations. Comparing PdTe$_2$ with its sister compound PtSe$_2$, we demonstrate how enhanced inter-layer hopping in the Te-based material drives a band inversion within the anti-bonding p-orbital manifold well above the Fermi level. We show how this mediates spin-polarised topological surface states which form rich multi-valley Fermi surfaces with complex spin textures. Scanning tunneling spectroscopy reveals type-II superconductivity at the surface, and moreover shows no evidence for an unconventional component of its superconducting order parameter, despite the presence of topological surface states.

研究の動機と目的

• Tc ≈ 1.7 K のバルク超伝導体である内在的 PdTe₂ におけるトポロジカルな表面状態と超伝導性の相乗作用を調査すること。
• PdTe₂ に存在するスピン偏極したトポロジカルな表面状態が、特にスピン三重項対応の成分を有する非摂動的超伝導を誘起するかどうかを特定すること。
• 層間 hopping とバンド反転が、トポロジカルな表面状態における複雑なマルチバレーのフェルミ面を生成する役割を理解すること。
• PdTe₂ のトポロジカルな表面状態が、非摂動的超伝導対応によってマヨラナ零モードをサポートするかどうかを明確にすること。

提案手法

• 表面電子状態とスピンテクスチャをマップするために、APEビームライン（Elettra）および I05 ビームライン（Diamond Light Source）でスピンおよび角度分解光電子分光法（spin-ARPES）を実施した。
• 40 mK で走査トンネル顕微鏡および分光法（STM/STS）を実施し、超伝導ギャップ構造とボルテックスコア状態を調べた。
• 電子状態密度関数理論（DFT）に基づくスーパーセル計算を実施し、電子バンド構造をモデル化し、バンド反転のメカニズムを同定した。
• 微分伝導度スペクトルにDynesモデルを適合させ、超伝導ギャップサイズとコherー二ンス特性を抽出した。
• 上臨界磁場とボルテックスコアの減衰長を測定するために最大1 Tの磁場を適用し、タイプII超伝導体としての性質を確認した。
• STM測定で超伝導性の先端を用いて、ゼロエネルギーの束縛状態が存在しないこと、および準位間モードの欠如を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PdTe₂ にスピン偏極したトポロジカルな表面状態が存在する場合、スピン三重項対応成分を有する非摂動的超伝導が誘起されるか？
• RQ2 層間 hopping が、表面状態におけるバンド反転と複雑なマルチバレーのフェルミ面を生成する役割を果たすか？
• RQ3 PdTe₂ の表面における超伝導状態は、完全にギャップがありノードなしであり、従来の s 波対応に一致するか？
• RQ4 トポロジカルな表面状態は、トポロジカル超伝導やマヨラナ零モードを誘起しないまま、従来の超伝導と共存可能か？
• RQ5 PdTe₂ の表面超伝導は、特に上臨界磁場とボルテックス構造の観点から、バルク超伝導特性とどのように比較されるか？

主な発見

• Te $p$-軌道における強化された層間 hopping によって引き起こされるバンド反転により、PdTe₂ はスピン偏極したトポロジカルな表面状態を有し、複雑でマルチバレーのフェルミ面を示す。
• spin-ARPES および DFT 計算により、表面状態に豊富なスピンテクスチャが確認され、フェルミ面を複数 crosses する表面パッチが存在することが判明した。
• STM/STS 測定により、完全にギャップがありノードなしの超伝導状態が観測され、超伝導ギャップサイズは Δ = 215 ± 2 μeV であり、BCS理論と整合的である。
• Δ/kBTc ≈ 1.5 の比は、BCS予測と良好に一致しており、従来の s 波超伝導を示している。
• ゼロエネルギーの束縛状態や準位間モードの証拠は得られず、ボルテックスコアや超伝導性の先端を用いた測定でも同様であった。これは、トポロジカル超伝導の否定を示している。
• 表面はタイプII超伝導体として振る舞い、上臨界磁場 Hc2⊥ ≈ 20 mT およびボルテックスコアの減衰長 175 ± 67 nm を示し、BCSの予測と整合的である。