[論文レビュー] Point-contact Andreev reflection spectroscopy of candidate topological superconductor Cu0.25Bi2Se3

X. Chen, Chao Huan+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2012

Topological Materials and Phenomena参考文献 3被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、ボールスティックなゴールドチップを用いた点接触アンドレーエフ反射分光法を用いて、Cu₀.₂₅Bi₂Se₃における超伝導特性を調査した。超伝導領域では、トポロジカル的表面アンドレーエフ束縛状態に起因するとされる、頑健なゼロバイアス電導ピーク（ZBCP）が観測された。また、有効な単一バンドp波対称性対称性モデル（Z = 10、Δ₀ = 0.32 meV）がZBCPおよび微分電導の極小値を定量的に説明できることを示し、この候補トポロジカル超伝導体における非単純的、おそらくp波型の超伝導性を支持するものである。

ABSTRACT

We perform a point-contact Andreev reflection spectroscopic study of the topological superconducting material, Cu0.25Bi2Se3, in the ballistic regime using a normal-metal gold tip. We observe distinct point-contact spectra on the superconducting and non-superconducting regions of the crystal surface: the former shows a marked zero-bias conductance peak, indicative of unconventional superconductivity, while the latter exhibits a pseudogap-like feature. In both cases the measured differential conductance spectra exhibit a large linear background, preventing direct quantitative comparison with theory. We attribute this background to inelastic scattering at the tip-sample interface, and compare the background-subtracted spectra with a single-band p-wave model.

研究の動機と目的

• ボールスティックな点接触アンドレーエフ反射分光法を用いて、候補トポロジカル超伝導体であるCu₀.₂₅Bi₂Se₃における対称性および超伝導ギャップ構造を調査すること。
• 従来の点接触分光スペクトルに見られる大きな線形背景の原因を解明し、理論との定量的比較を妨げる要因を特定すること。
• 観測されたゼロバイアス電導ピーク（ZBCP）が、s波型や他の散乱メカニズムではなく、非単純的超伝導、例えばp波対称性に起因するものかどうかを特定すること。
• 微分電導スペクトル、特にZBCPおよびギャップ構造を説明できる単一バンドp波モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• 高純度ゴールドチップ（直径 <100 nm）を用いた点接触アンドレーエフ反射分光法を、3He冷凍機を用いた新鮮に割れたCu₀.₂₅Bi₂Se₃単結晶上に実施し、磁場制御を可能とした。
• 複数の表面位置で微分電導（dI/dV）スペクトルを測定し、超伝導領域と非超伝導領域を比較した。
• dI/dVスペクトルに見られる線形背景は、温度に依存せず、超伝導特性とは無関係に、チップ-サンプル界面における非弾 性散乱に起因することが特定された。
• 背景補正済みスペクトルを、p波対称性のBTK形式を用いた理論モデルと比較した。パラメータはD₀ = 0.071、Δ₀ = 0.32 meV、Z = 10とした。
• 理論的トンネル電導は、山代らのp波モデルからの正規化電導σ(E)を用い、フェルミ・ディラック統計およびエネルギー依存透過率を組み込んだ。
• ギャップパラメータΔ₀(T)の温度依存性を分析したところ、線形T依存性を示し、BCS理論とは矛盾する結果が得られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 点接触dI/dVスペクトルにおける大きな線形背景の原因は何か。また、これは内在的な超伝導的特徴から分離可能か。
• RQ2 超伝導領域で観測されたゼロバイアス電導ピーク（ZBCP）は、p波対称性のような非単純的対称性を示唆するか。
• RQ3 単一バンドp波モデルが、ZBCPおよび極小値を含む測定dI/dVスペクトルの主な特徴を定量的に再現できるか。
• RQ4 超伝導ギャップの温度依存性は、従来のs波BCS理論と整合するか、あるいは非単純的対称性を示唆するか。

主な発見

• 超伝導領域にのみ、頑健なゼロバイアス電導ピーク（ZBCP）が観測され、中間ギャップのアンドレーエフ束縛状態の存在を示した。
• dI/dVスペクトルの線形背景は、チップ-サンプル界面における非弾 性散乱に起因し、超伝導特性とは無関係であり、温度に依存しない。
• 背景補正後、測定スペクトルはD₀ = 0.071、Δ₀ = 0.32 meV、Z = 10を用いた単一バンドp波対称性モデルと優れた定性的一致を示した。
• 超伝導ギャップパラメータΔ₀(T)は線形温度依存性を示し、従来のBCS理論とは矛盾し、非単純的対称性を支持するものであった。
• ギャップ端縁付近にコherencyピークが観測されず、ZBCPの存在は、従来のs波トンネル、反射なしトンネル、磁気/Kondo散乱の説明を排除した。
• データは、非単純的、おそらくp波型の超伝導性に起因するトポロジカル的表面アンドレーエフ束縛状態の存在を支持するものであった。