[論文レビュー] Observation and characterization of the zero energy conductance peak in the vortex core state of FeTe$_{0.55}$Se$_{0.45}$

Xiaoyu Chen, Mingyang Chen+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 20被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、スキャントンネル分光法/分光法（STM/STS）を用いて、FeTe₀.₅₅Se₀.₄₅のストリング・コアにゼロエネルギー伝導度ピーク（ZBCP）の存在を確認した。これは、メイジョラナ零モードの可能性を示唆している。ZBCPは低温（約4 Kまで）で安定しており、孤立したストリングに対して最大6 Tの磁場でも持続し、半径方向での分裂を示さない。これは、従来のカロリ・ド・ジエンヌ・マトリコン状態とは異なり、トポロジカル起源を支持するものである。

ABSTRACT

The search for the Majorana fermions in condensed matter physics has attracted much attention, partially because they may be used for the fault-tolerant quantum computation. It has been predicted that the Majorana zero mode may exist in the vortex core of topological superconductors. Recently, many iron-based superconductors are claimed to exhibit a topologically nontrivial surface state, including Fe(Te,Se). Some previous experiments through scanning tunneling microscopy (STM) have found zero-bias conductance peaks (ZBCP) within the vortex cores of Fe(Te,Se). However, our early experimental results have revealed the Caroli-de Gennes-Matricon (CdGM) discrete quantum levels in about 20% vortices. In many other vortices, we observed a dominant peak locating near zero bias. Here we show further study on the vortex core state of many more vortices in FeTe$_{0.55}$Se$_{0.45}$. In some vortices, if we take a certain criterion of bias voltage window near zero energy, we indeed see a zero energy mode. Some vortices exhibit zero energy bound state peaks with relatively symmetric background, which cannot be interpreted as the CdGM discrete states. The probability for vortices showing the ZBCP lowers down with the increase of magnetic field. Meanwhile it seems that the presence and absence of the ZBCP has no clear relationship with the Te/Se ratio on the surface. Temperature dependence of the spectra reveals that the ZBCP becomes weakened with increasing temperature and disappears at about 4 K. Our results provide a confirmed supplementary to the early claimed zero energy modes within the vortex cores of Fe(Te,Se). Detailed characterization of these zero energy modes versus magnetic field, temperature and spatial distribution of Te/Se will help to clarify its origin.

研究の動機と目的

• FeTe₀.₅₅Se₀.₄₅のストリングコアに観察されたゼロバイアス伝導度ピーク（ZBCP）の起源を、従来のカロリ・ド・ジエンヌ・マトリコン（CdGM）状態とトポロジカルなメイジョラナ零モードの間で特定すること。
• ZBCPが材料のトポロジカル超伝導状態に内在するものか、局所的不純物、磁場、表面組成の影響を受けるのかを同定すること。
• ZBCPの温度および磁場依存性を調べ、故障耐性を持つ量子計算への可能性を評価すること。
• 理論的予測であるFe(Te,Se)におけるトポロジカル表面状態を踏まえ、局所的Te/Se表面組成がZBCPの発生に果たす役割を評価すること。

提案手法

• FeTe₀.₅₅Se₀.₄₅のストリングコア内の局所的状態密度を測定するために、約0.4 Kでスキャントンネル分光法（STS）を実施した。
• ストリングコア状態の分析には、微分伝導度（dI/dV）スペクトルを用い、ゼロバイアスピークの有無と形状に注目した。
• ZBCPを定義するために±0.1 meVのバイアス窓を用い、高温での熱的広がりおよびスペクトル混合を考慮した。
• 磁場依存性は最大6 Tまで測定し、ZBCPの磁場強度上での安定性を評価した。
• 温度依存性測定は0.4 Kから4 Kの範囲で実施し、ZBCPの熱的脆さを評価した。
• 局所的表面組成（Te/Se比）はSTMの上面像を用いて分析し、ZBCPの発生と相関をとったが、明確な相関は見出せなかった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeTe₀.₅₅Se₀.₄₅のストリングコアに観察されたゼロバイアス伝導度ピーク（ZBCP）は、従来のカロリ・ド・ジエンヌ・マトリコン（CdGM）状態ではなく、メイジョラナ零モードを示唆するものか？
• RQ2 磁場強度がZBCPを示すストリングの割合に与える影響は何か？その抑制はトポロジカル起源を支持するか？
• RQ3 ZBCPの温度依存性は何か？4 K近辺で消失する現象は、メイジョラナモードに一致する熱的脆さを示唆するか？
• RQ4 局所的Te/Se表面組成とストリングコアにおけるZBCPの有無との間に相関があるか？

主な発見

• FeTe₀.₅₅Se₀.₄₅の一部のストリングは、対称的な背景を持つ顕著なゼロバイアス伝導度ピーク（ZBCP）を示しており、離散的CdGM状態とは一致せず、メイジョラナ零モードの可能性を示唆している。
• ZBCPはストリングコア中心から半径方向に移動しても分裂せず、高角運動量量子数を持つ従来のCdGM状態とは明確に異なる。
• ZBCPは熱的に脆く、2.5 Kで著しく弱まり、約4 Kで完全に消失する。これは熱励起に対して高い感受性を示すことを示している。
• ZBCPを示すストリングの割合は磁場が上昇するにつれて減少し、4 Tを超えると急激に低下するが、一部の孤立ストリングでは6 TでもZBCPが持続する。
• 局所的Te/Se表面組成とZBCPの有無との間に明確な相関は確認されず、ZBCPが表面ストイキオメトリーによって直接制御されていないことを示唆している。
• 6 Tで隣接する3つのストリングすべてがZBCPを示す例が観察されたことから、局所的ストリング配置およびメイジョラナモードのハイブリダイゼーションが観測される統計に影響を与える可能性がある。