[論文レビュー] Proximity-Induced Superconductivity with Subgap Anomaly in Type II Weyl Semi-Metal WTe2

Qiao Li, He, Chaocheng+17 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2018

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ひとこと要約

本研究では、van der Waals異質接合を用いたNbSe2と結合させたタイプ-IIホイール半金属WTe2の薄いフラケにおいて、近接効果による超伝導性が実証された。これは、c軸に沿った長いコherence長と、超伝導状態から正規状態への遷移中に観測された異常な準位間抵抗振動を明らかにした。理論的モデリングにより、この準位間の異常はWTe2の超伝導状態の内因的特徴であることが確認され、トポロジカル量子計算への応用可能性が前進した。

ABSTRACT

Due to the non-trivial topological band structure in type-II Weyl semimetal Tungsten ditelluride (WTe2), unconventional properties may emerge in its superconducting phase. While realizing intrinsic superconductivity has been challenging in the type-II Weyl semimetal WTe2, proximity effect may open an avenue for the realization of superconductivity. Here, we report the observation of proximity-induced superconductivity with a long coherence length along c axis in WTe2 thin flakes based on a WTe2/NbSe2 van der Waals heterostructure. Interestingly, we also observe anomalous oscillations of the differential resistance during the transition from superconducting to normal state. Theoretical calculations show excellent agreement with experimental results, revealing that such a sub-gap anomaly is the intrinsic property of WTe2 in superconducting state induced by the proximity effect. Our findings enrich the understanding of superconducting phase of type-II Weyl semimetals, and pave the way for their future applications in topological quantum computing.

研究の動機と目的

• 非自明なトポロジカルバンド構造を示すタイプ-IIホイール半金属WTe2における超伝導特性の調査。
• van der Waals異質接合を用いた近接効果を用いて、WTe2における内在的超伝導性の実現に課される課題を克服すること。
• 近接結合下におけるWTe2における、特に準位間異常を示す非摂動的超伝導行動の出現を調査すること。
• 観測された準位間振動と、超伝導状態におけるWTe2の内在的電子構造との関連を確立すること。
• 将来的なWTe2のトポロジカル量子計算への応用の基盤を提供すること。

提案手法

• 機械的剥離および転写技術を用いたWTe2/NbSe2のvan der Waals異質接合の作製。
• WTe2フラケにおける微分抵抗測定を実施し、超伝導転移をプローブし、準位間異常を検出する。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）と理論的モデリングを用いて、バンド構造および近接効果による超伝導性を分析する。
• BCSに基づく理論的計算を用いて近接効果をシミュレートし、観測された準位間振動を再現する。
• 輸送測定を用いてc軸に沿ったコherence長を分析し、理論的予測と比較する。
• 実験的抵抗振動とWTe2の電子構造のトポロジカル性との相関を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WTe2の薄いフラケにおいて、NbSe2を用いたvan der Waals異質接合を介して近接効果による超伝導性が実現可能か？
• RQ2 WTe2における超伝導状態から正規状態への遷移中に観測された異常な準位間抵抗振動の性質と起源は何か？
• RQ3 WTe2におけるコherence長はc軸に沿ってどのように比較されるか？また、これは超伝導ペアリング対称性に何を示唆するか？
• RQ4 準位間異常は、WTe2のトポロジカルバンド構造の結果であるのか、それとも異質接合界面に起因するアーティファクトであるのか？
• RQ5 観測された現象は、トポロジカル半金属における近接効果による超伝導性の理論的モデルで説明可能か？

主な発見

• WTe2の薄いフラケにおいて、van der Waals異質接合を介したNbSe2との結合により、近接効果による超伝導性が成功裏に実現された。
• c軸に沿った長いコherence長が観測され、強い超伝導ペアリングとトポロジカル超伝導の可能性を示唆した。
• 超伝導状態から正規状態への遷移中に、準位間領域で異常な微分抵抗振動が検出されたが、これは従来の超伝導体には見られない特徴であった。
• 理論的計算により実験データと良好な一致が得られ、準位間異常が近接効果によって引き起こされるWTe2の超伝導状態の内因的性質であることが確認された。
• 観測された現象は、WTe2の非自明なトポロジカルバンド構造と近接効果による超伝導性の相乗作用に起因するとされた。
• これらの発見は、WTe2がマヨラナ零モードを実現する有望なプラットフォームであり、トポロジカル量子計算の発展に貢献する可能性を示唆している。