[論文レビュー] Josephson Detection of Time Reversal Symmetry Broken Superconductivity in SnTe Nanowires

Christie J. Trimble, Ming Wei+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、スニペットナノワイヤにおける近接効果誘発超伝導の時間反転対称性の破れをジョセフソン接合測定によって示し、バンド間結合と外部ペアリング場の競合によって駆動される $s\pm i s^\prime$ 超伝導状態を特定した。主な証拠として、非対称な臨界電流と交流ジョセフソン効果における顕著な二次高調波が得られ、時間反転対称性の破れおよびフェロエレクトリックドメイン壁による超電流の制御が確認された。

ABSTRACT

Exotic superconductors, such as high T$_C$, topological, and heavy-fermion superconductors, require phase sensitive measurements to determine the underlying pairing. Here we investigate the proximity-induced superconductivity in nanowires of SnTe, where an $s\pm is^{\prime}$ superconducting state is produced that lacks the time-reversal and valley-exchange symmetry of the parent SnTe. This effect, in conjunction with a ferroelectric distortion of the lattice at low temperatures, results in a marked alteration of the properties of Josephson junctions fabricated using SnTe nanowires. This work establishes the existence of a ferroelectric transition in SnTe nanowires and elucidates the role of ferroelectric domain walls on the flow of supercurrent through SnTe weak links. We detail two unique characteristics of these junctions: an asymmetric critical current in the DC Josephson effect and a prominent second harmonic in the AC Josephson effect. Each reveals the broken time-reversal symmetry in the junction. The novel $s\pm is^{\prime}$ superconductivity and the new Josephson effects can be used to investigate fractional vortices [1,2], topological superconductivity in multiband materials [3-5], and new types of Josephson-based devices in proximity-induced multiband and ferroelectric superconductors [6,7].

研究の動機と目的

• ジョセフソン接合を用いて、スニペットナノワイヤにおける超伝導状態の時間反転対称性の破れを検出すること。
• フェロエレクトリックドメイン壁が多バンド超伝導体における超電流輸送をどのように制御するかを調査すること。
• スニペットナノワイヤにおけるフェロエレクトリック転移の存在を確立し、それが超伝導位相の整合性に与える影響を明らかにすること。
• 近接効果誘発系における多バンド超伝導と破れた対称性の相乗作用を探索すること。

提案手法

• アルミニウム超伝導リードを用いてスニペットナノワイヤに接触させ、近接効果を誘発するジョセフソン接合の作製。
• 低温で構造的および電子的相転移を観察するため、インサイト・クリオ透過型電子顕微鏡（TEM）を用いる。
• 超伝導バンド間の位相差を調べるために、直流および交流ジョセフソン効果を測定する。
• ラティス縞および回折パターンの解析により、斜方フェロエレクトリックドメインおよびドメイン壁を同定する。
• 自由エネルギーの理論的モデリング：$ F(\theta_1,\theta_2) = J\cos(\theta_1 - \theta_2) + J'_1\cos(\theta_1) + J'_2\cos(\theta_2) $、ここで $ J $ はバンド間結合、$ J' $ は外部ペアリング場強度を表す。
• 観測されたジョセフソン効果と、$ J $ と $ J' $ の競合による超伝導位相差の傾き（canted）状態との相関を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スニペットナノワイヤにおける近接効果誘発超伝導は時間反転対称性を破るか？ そしてジョセフソン効果を用いてどのように検出できるか？
• RQ2 フェロエレクトリックドメイン壁は、多バンド超伝導接合における超電流輸送をどのように制御するか？
• RQ3 バンド間結合と外部ペアリング場の競合が、スニペットナノワイヤにおける $ s\pm i s^\prime $ 超伝導状態をどのように生じさせるか？
• RQ4 80 K未満でスニペットナノワイヤに観察される構造的および電子的相転移は何か？ そしてそれらは超伝導の対称性の破れとどのように関係するか？
• RQ5 交流ジョセフソン効果における二次高調波は、多バンド超伝導体における時間反転対称性の破れを直接示す証拠として機能するか？

主な発見

• スニペットナノワイヤにおけるフェロエレクトリック転移は80 Kで確認され、その温度未満でドメイン壁が出現した。インサイト・クリオ-TEMにより、ワイヤ軸に垂直な暗い帯として可視化された。
• 電子回折パターンに12 Kで分裂が観察され、立方晶から斜方晶への転移が示され、1.2°の位相差を持つ2つのフェロエレクトリックドメインが分離していることが判明した。
• 電子線のスイング実験において、TEM画像の暗い帯が固定されたままであったため、これらは像のアーティファクトではなくフェロエレクトリックドメイン壁であると確認された。
• ジョセフソン接合は非対称な臨界電流を示し、これは超伝導状態における時間反転対称性の破れの直接的証拠である。
• 交流ジョセフソン効果において顕著な二次高調波が観測され、超伝導バンド間の有限な位相差が確認された。
• $ s\pm i s^\prime $ 超伝導状態は、バンド間結合 $ J $ と外部ペアリング場 $ J' $ の競合によって生じ、時間反転対称性およびバルク-交換対称性が破れた傾き（canted）位相配置を形成する。