[論文レビュー] Signatures of Chiral Superconductivity in Chiral Molecule Intercalated Tantalum Disulfide

Zhong Wan, Gang Qiu+10 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2023

Surface Chemistry and Catalysis被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、キラル分子をインターカレーションしたジチオタリウムジサルファイド（TaS₂）において、キラル超伝導の兆候を示す。Little-Parks測定により、左・右両手性のキラルインターカレーション系で、整然とした半フラックス量子位相シフトが明確に観測された。これは、純粋または非キラル系では観察されない。このことは、トポロジカル的に非自明な超伝導状態であることを示唆する。臨界電流測定では、0.5 K未満の低温域で、逆方向の電流バイアス下でもほぼπ位相シフトを示し、キラルp波的対称性を支持する。

ABSTRACT

Chiral superconductors, a unique class of unconventional superconductors in which the complex superconducting order parameter winds clockwise or counter-clockwise in the momentum space, represent a topologically non-trivial system with direct implications for topological quantum computing. Intrinsic chiral superconductors are extremely rare, with only a few arguable examples including heavy fermion metals (UTe$_2$, UPt$_3$) and perovskite superconductor Sr$_2$RuO$_4$. Chiral molecules with neither mirror nor inversion symmetry have been widely investigated, in which the spin degeneracy may be lifted by the molecular chirality. Thus, a combination of superconductivity with chiral molecules may lead to a spin-polarized ground state for realizing chiral superconductivity. Herein we report the first investigation of unconventional superconductivity in chiral molecule intercalated tantalum disulfide (TaS$_2$) and reveal key signatures of chiral superconductivity. Little-Parks measurements demonstrate a robust and reproducible half-flux quantum phase shift in both left- and right-handed chiral molecule intercalated TaS$_2$, which is absent in pristine TaS$_2$ or achiral molecule intercalated TaS$_2$, highlighting the essential role of molecular chirality in inducing unconventional superconductivity. The robust half-flux quantum phase shift demonstrates unconventional superconductivity and constitutes strong evidence supporting a chiral superconducting ordering parameter. Critical current measurements at lower temperature reveal a peculiar asymmetric phase shift under opposite supercurrent, with a relative phase difference approaching the unity of π at below 0.5 K, further supporting topologically non-trivial superconductivity. Our study signifies the potential of hybrid superlattices with intriguing coupling between the crystalline atomic layers and the self-assembled molecular layers.

研究の動機と目的

• キラル分子インターカレーションTaS₂における非代替的超伝導を調査すること。
• 分子のキラル性がトポロジカル的に非自明な超伝導を誘発するかを特定すること。
• van der Waalsヘテロ構造におけるキラル超伝導ペアリングの実験的兆候を同定すること。
• TaS₂におけるキラル分子層と超伝導原子層の相互作用を調査すること。
• 設計可能なキラル性を持つハイブリッドスーパーラティスを用いて、キラル超伝導のプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 空間反転対称性を破るために、鏡像対称性や反転対称性のないキラル有機分子を2H-TaS₂にインターカレーションすること。
• 超伝導フラックス量子周期性を調べ、位相シフトを検出するためにLittle-Parks振動測定を実施すること。
• 逆方向の電流バイアス下での磁場依存臨界電流測定により、位相非対称性を調査すること。
• 左・右・非キラル分子をインターカレーションしたTaS₂の結果を比較し、分子キラル性の役割を分離すること。
• 抵抗振動における位相シフトを分析し、半フラックス量子シフトを特定すること。これはキラル超伝導の特徴的兆候である。
• トポロジカル効果が支配的になる領域にアクセスするため、低温測定（0.5 K未満）を実施すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キラル分子のインターカレーションは、TaS₂におけるキラル超伝導を誘発できるか？
• RQ2 Little-Parks効果において、キラル超伝導秩序パラメータを示す実験的兆候は何か？
• RQ3 キラルインターカレーションTaS₂では、逆方向の電流バイアス下で臨界電流に非対称性が現れるか？
• RQ4 分子キラル性は、常識的または非キラル超伝導状態とキラル超伝導状態をどのように区別するか？
• RQ5 観測された超伝導位相シフトにおけるトポロジカル保護の役割は何か？

主な発見

• 左・右両手性のキラル分子インターカレーションTaS₂におけるLittle-Parks測定では、純粋または非キラルインターカレーションTaS₂に見られない、強固で再現性のある半フラックス量子位相シフトが観測された。
• 半フラックス量子シフトは、非代替的超伝導の直接的兆候であり、キラルp波的対称性を強く支持する。
• 0.5 K未満では、臨界電流測定により、逆方向のスーパーアンプル下で位相シフトの非対称性が明らかとなり、相対的位相差がπに近づくことが示された。これは、トポロジカル的に非自明な超伝導を示唆する。
• 観測された位相シフトは強固で再現可能であり、分子キラル性が時間反転対称性を破り、キラル超伝導状態を安定化させる上で不可欠な役割を果たしていることを確認した。
• 結果は、キラル分子層がTaS₂にスピン極化超伝導状態を誘発できることを示し、新しい種類のハイブリッドスーパーラティスを可能にする。
• 本系は、内在的重フェルミオンやペロブスカイト材料に依存せずに、キラル超伝導を実現するためのチューナブルなプラットフォームを提供する。