[論文レビュー] Surface superconductivity in the topological Weyl semimetal t-PtBi$_2$

Sebastian Schimmel, Yanina Fasano+11 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、走査トンネル顕微鏡および分光法（STM/STS）を用いて、高温（5 K）における位相的ウェイル半金属 t-PtBi₂ における表面超伝導を実証した。空間的に不均一な超伝導ギャップ（0–20 meV）を報告し、特に位相的表面状態で最大のギャップが観測された。これにより、技術的応用に適した条件（最大12 Tの高い臨界磁場を含む）における内部的位相的超伝導の実現に、t-PtBi₂ が極めて有望な候補であることが示された。

ABSTRACT

The advancement of quantum computation is eager on generating fault tolerant qubits, and topological superconductivity is a very promising concept for reaching this goal. Early experimental achievements study hybrid systems as well as doped intrinsic topological or superconducting materials presenting the phenomena at very low temperatures. However, higher critical temperatures are indispensable for technological exploitation. Promising very recent angle-resolved photoemission spectroscopy results reveal that superconductivity of the type-I Weyl semimetal trigonal PtBi$_2$ (t-PtBi$_2$) is located at the Fermi arcs surface states which renders t-PtBi$_2$ a candidate for intrinsic topological superconductivity. Here we show, using scanning tunnelling microscopy and spectroscopy (STM/STS) that t-PtBi$_2$ presents surface superconductivity at elevated temperatures (5 K). The gap magnitude is elusive: it is spatially inhomogeneous and spans from 0 to 20 meV. In particular, the large gap value and the shape of the quasiparticle excitation spectrum resemble the phenomenology of high-Tc superconductors. To our knowledge, this is the largest superconducting gap so far measured in a topological material. Moreover, we show that the superconducting state at 5 K persists up to 12 T magnetic field. Thus, we show that t-PtBi2 is a prime candidate for intrinsic topological superconductivity at technologically relevant temperatures, fields and gap magnitudes.

研究の動機と目的

• 位相的ウェイル半金属 t-PtBi₂ における超伝導の起源および性質を調査すること。
• 超伝導が内部的であり、特にフェルミの弧を含む表面状態に局在化しているかどうかを特定すること。
• 低温下での超伝導ギャップの大きさとその空間的不均一性を測定すること。
• 外部磁場を最大12 Tまで印加することで、超伝導状態の安定性を評価すること。
• 内部的位相的超伝導を特定することにより、t-PtBi₂ が位相的量子計算のプラットフォームとして持つ可能性を評価すること。

提案手法

• 原子スケールで局所的な電子状態と超伝導ギャップをプローブするため、低温走査トンネル顕微鏡および分光法（STM/STS）を用いた。
• 特にフェルミの弧を含む位相的表面状態からの寄与を分離するために、t-PtBi₂結晶の表面領域に焦点を当てた。
• 表面全域における超伝導ギャップの空間的変動をマッピングし、0から20 meVの不均一性を明らかにした。
• 外部磁場を最大12 Tまで印加することで臨界磁場を測定し、超伝導状態の安定性を評価した。
• 高臨界温度超伝導体の物性論と比較するため、準粒子励起スペクトルを分析した。
• 既知の t-PtBi₂ の位相的表面状態構造と観測された超伝導シグナルを関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 t-PtBi₂ における超伝導は、特にフェルミの弧を含む位相的表面状態に局在しているか？
• RQ2 5 Kにおける t-PtBi₂ における超伝導ギャップの大きさと空間的分布は何か？
• RQ3 t-PtBi₂ における超伝導状態は、最大12 Tの高磁場下でも安定しているか？
• RQ4 観測された超伝導ギャップの大きさと準粒子スペクトルは、高臨界温度超伝導体のものと類似しているか？
• RQ5 t-PtBi₂ は、より高い温度で故障耐性を持つ量子計算に適した内部的位相的超伝導を実現できるか？

主な発見

• t-PtBi₂ における超伝導は表面状態に限定されており、最大20 meVの超伝導ギャップが観測され、これまでに報告された位相的材料の中で最大である。
• 超伝導ギャップは空間的に不均一であり、表面全域で0から20 meVの範囲で変動しており、ペアリング強度の強い局所的変動を示している。
• 準粒子励起スペクトルには、高臨界温度超伝導体に類似した特徴が見られ、非単純なペアリングメカニズムを示唆している。
• 超伝導状態は12 Tまで持続しており、高磁場応用に適した強固なペアリング機構であることが示された。
• 5 Kでの観測された表面超伝導と、位相的表面状態の両方が一致するため、t-PtBi₂ は内部的位相的超伝導の顕著な候補である。
• これらの結果により、技術的応用に適した温度および磁場条件下で位相的キュービットを実現するための有望なプラットフォームとして、t-PtBi₂ が確立された。