[論文レビュー] Odd-Parity Pairing and Topological Superconductivity in a Strongly Spin-Orbit Coupled Semiconductor

Satoshi Sasaki, Zhi Ren+4 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Aug 1, 2012

Topological Materials and Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、点接触分光法を用いて、インジウムドープSnTe（Sn₁₋ₓInₓTe）における奇数パリティ対縮小およびトポロジカル超伝導の実験的証明を提供している。表面アンドレーエフ束縛状態を示すゼロバイアス電導ピーク（ZBCP）が観測され、このZBCPは0.37 Kまで持続し、磁場に対しても安定している。これは、従来のアンドレーエフ反射、加熱効果、透過なしトンネル効果、およびコンドー散乱を排除するものであり、強いスピン・オービット結合によって駆動されるトポロジカル超伝導の確認を示している。

ABSTRACT

The existence of topological superconductors preserving time-reversal symmetry was recently predicted, and they are expected to provide a solid-state realization of itinerant massless Majorana fermions and a route to topological quantum computation. Their first concrete example, CuxBi2Se3, was discovered last year, but the search for new materials has so far been hindered by the lack of guiding principle. Here, we report point-contact spectroscopy experiments showing that the low-carrier-density superconductor Sn_{1-x}In_{x}Te is accompanied with surface Andreev bound states which, with the help of theoretical analysis, give evidence for odd-parity pairing and topological superconductivity. The present and previous finding of topological superconductivity in Sn_{1-x}In_{x}Te and CuxBi2Se3 demonstrates that odd-parity pairing favored by strong spin-orbit coupling is a common underlying mechanism for materializing topological superconductivity.

研究の動機と目的

• 低キャリア密度で強いスピン・オービット結合を示す半導体、例えばSn₁₋ₓInₓTeにおけるトポロジカル超伝導の兆候を同定すること。
• 予測されたトポロジカル状態を有する奇数パリティ超伝導対縮小が、Sn₁₋ₓInₓTeに実現されているかどうかを特定すること。
• 観測されたゼロバイアス電導ピーク（ZBCP）が、アンドレーエフ反射、加熱、またはコンドー散乱といった従来のまたは外部要因に起因するものでないことを区別すること。
• Sn₁₋ₓInₓTeを新しいトポロジカル超伝導体として確立し、トポロジカル量子計算研究の材料体系を拡張すること。
• 強いスピン・オービット結合系における奇数パリティ対縮小が、トポロジカル超伝導の共通のメカニズムであることを特定し、今後の材料発見を導くこと。

提案手法

• 0.37 Kまで冷却可能な低温装置を用い、x = 0.045、Tc ≈ 1.2 Kの(001)面を指向するSn₁₋ₓInₓTe単結晶に対してソフトな点接触分光を実施した。
• バイアス電圧および磁場の関数として微分電導（dI/dV）を測定し、アンドレーエフ束縛状態に関連するゼロバイアス電導ピーク（ZBCP）を検出した。
• 温度依存測定（0.37 Kから3.2 Kまで）を実施し、熱的幅の拡大効果と内在的なZBCP挙動を区別した。
• 最大0.2 Tまでの磁場スイープを実施し、ZBCPおよび±2Δにおける谷の磁場依存性を評価し、透過なしトンネル効果および加熱効果を除外した。
• ホール抵抗率および抵抗率データの分析により、キャリア密度（約8 × 10²⁰ cm⁻³）を確認し、構造的相転移の存在を否定した。
• 対称性、磁場応答、温度依存性に基づく理論的分析を実施し、従来のアンドレーエフ反射、コンドー散乱、および他の誤検出要因によるZBCPの可能性を除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sn₁₋ₓInₓTeは、非代替的超伝導を示す表面アンドレーエフ束縛状態を有するか？
• RQ2 Sn₁₋ₓInₓTeにおける観測されたゼロバイアス電導ピーク（ZBCP）は、従来のまたは外部要因に起因するものではなく、トポロジカル超伝導に起因するものか？
• RQ3 強いスピン・オービット結合を示す半導体、例えばインジウムドープSnTeにおいて、奇数パリティ対縮小を同定できるか？
• RQ4 強いスピン・オービット結合が、低キャリア密度系におけるトポロジカル超伝導の安定化に果たす役割は何か？
• RQ5 Sn₁₋ₓInₓTeにおけるトポロジカル超伝導の存在は、新しいトポロジカル超伝導体の発見に一般化可能なメカニズムを示唆するか？

主な発見

• Sn₁₋ₓInₓTe（x = 0.045）における点接触分光で、0.37 Kまで頑健なゼロバイアス電導ピーク（ZBCP）が観測され、表面アンドレーエフ束縛状態の存在を示している。
• ZBCPはTc（1.2 K）よりはるかに低い温度でも維持され、0.37 Kでも2つのピークに分裂しないことから、従来のアンドレーエフ反射が原因でないことが排除された。
• 磁場が0.09 Tに達する程度でZBCPの強度が約50％低下したが、±2Δにおける谷の位置は変化せず、加熱効果や臨界電流効果を除外した。
• dI/dVにスパイク様の特徴が認められず、磁場に依存しない谷の位置から、透過なしトンネル効果およびコンドー散乱がZBCPの原因でないことが排除された。
• ZBCPは最大0.2 Tの磁場でも観測され続け、約0.7 mTで予想される透過なしトンネル効果の抑制と一致しないことから、このメカニズムもさらに除外された。
• 総合的な証拠は、ZBCPがトポロジカル表面状態に起因することを支持しており、Sn₁₋ₓInₓTeにおける奇数パリティ対縮小およびトポロジカル超伝導の確認を示している。