[論文レビュー] High-$T_c$ Superconductor Fe(Se,Te) Monolayer: an Intrinsic, Scalable and Electrically-tunable Majorana Platform

Xianxin Wu, Xin Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2019

Iron-based superconductors research被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、平面内磁場と局所電気的ドーピングを用いて、高Tc超伝導体Fe(Se,Te)の単層において、異種積層構造を用いずに、内在的でスケーラブルかつ電気的にチューナブルなマヨラナ零モード（MZMs）のプラットフォームを提案する。主な結果は、トポロジカルなバンド反転に起因する内在的磁気異方性のおかげで、境界、化学ポテンシャルのドメインウォール、および三重接合部に、きわめて頑健なMZMsの実現が可能である点である。

ABSTRACT

A monolayer of the high-$T_c$ superconductor FeTe$_{1-x}$Se$_x$ has been predicted to realize a topologically non-trivial state with helical edge modes at its boundary, providing a novel intrinsic system to search for topological superconductivity and Majorana zero modes. Evidence in favor of a topological phase transition and helical edge modes has been identified in recent experiments \cite{Peng2019}. We propose to create Majorana zero modes by applying an in-plane magnetic field to the FeTe$_{1-x}$Se$_x$ monolayer and by tuning the local chemical potential via electric gating. Owing to the anisotropic magnetic couplings on edges from a topological band inversion, an in-plane magnetic field drives the system into an intrinsic high-order topological superconductor phase with Majorana corner modes, without fabricating heterostructures. Furthermore, we demonstrate that Majorana zero modes can occur at other different locations, including the domain wall of chemical potentials at one edge and certain type of tri-junction in the 2D bulk. Our study not only demonstrates FeTe$_{1-x}$Se$_x$ monolayer as a promising Majorana platform with scalability and electrical tunability and within reach of contemporary experimental capability, but also provides a general principle to search for realistic realization of high-order topological superconductivity.

研究の動機と目的

• 異種積層構造や複雑な界面を用いずに、高Tc超伝導体においてマヨラナ零モード（MZMs）を実現する頑健で内在的なプラットフォームを特定すること。
• プロキシミティ効果に基づく既存のMZMプラットフォームおよび低温動作の制限を克服すること。
• 二重ドーピングを用いた局所的化学ポテンシャル制御により、MZMsの電気的チューナビリティを実証すること。
• 磁気異方性とバンド反転を用いて、Fe(Se,Te)単層における高次トポロジカル超伝導体の性質を調査すること。
• 他の材料に対しても、高次トポロジカル超伝導体を実現する一般原理を確立すること。

提案手法

• スピン軌道相互作用を含む五軌道タイトバインディングモデルを用いて、Fe(Se,Te)単層を記述し、トポロジカル量子スピンホール状態に起因するバンド反転効果を組み込む。
• 平面内磁場を印加して時間反転対称性を破り、マヨラナコーナーモードを有する高次トポロジカル超伝導体相を誘起する。
• 局所的電気的ドーピングを用いて化学ポテンシャルを調整し、端縁およびドメインウォールにおけるMZMs形成を制御する。
• 二重ゲート構造により非対称なポテンシャルを生成し、量子スピンホール状態とトレivial絶縁体状態の間の2次元トポロジカル相転移を駆動する。
• 理論的解析には、バンド構造計算およびトポロジカル不変量の計算を含み、さまざまな配置におけるMZMsの存在を確認する。
• Se/Te $p_z$ 軌道を含むWannier関数に基づくタイトバインディングモデルを用いて、電場ドーピング下でのバンド反転の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異種積層構造や複雑な界面を用いずに、Fe(Se,Te)単層において内在的マヨラナ零モードを実現できるか？
• RQ2 平面内磁場がどのように高次トポロジカル超伝導体を誘起し、マヨラナコーナーモードを安定化させるか？
• RQ3 局所的電気的ドーピングにより、化学ポテンシャルのドメインウォールにMZMsを形成できるか、トポロジカルおよびトレivial相の間を切り替えられるか？
• RQ4 s波対称性の超伝導体において、トポロジカルバンド反転に起因する磁気異方性が、MZMsの安定化に果たす役割は何か？
• RQ5 MZMsはコーナーに限定されず、電気的に駆動されるトポロジカル相転移によって2次元バルクの三重接合部でも実現可能か？

主な発見

• 平面内磁場を印加することで、Fe(Se,Te)単層は内在的高次トポロジカル超伝導体を示し、直交する端縁にきわめて頑健なマヨラナコーナーモードを形成する。
• 磁気異方性と局所的ドーピングのおかげで、単一の端縁に沿った化学ポテンシャルのドメインウォールに、MZMsが安定化する。
• 二重ゲートによる電気的ドーピングによって、量子スピンホール状態とトレivial絶縁体状態の間の2次元トポロジカル相転移が誘発され、三重接合部にMZMsが形成可能となる。
• 電場ドーピングに起因する非対称ポテンシャルによる逆対称性の破壊が、バンド反転の原因であることが、Wannier軌道の射影により確認された。
• 40 Kの臨界温度と約45 Tの高い平面内上臨界磁場は、現在の技術で実験的に実現可能である。
• 本メカニズムは一般化可能である：トポロジカルバンドにおける磁気異方性は、s波対称性を有する他の材料に対しても、高次トポロジカル超伝導体を実現可能にする。