[論文レビュー] Time reversal symmetry breaking superconductivity in topological materials

Yunsheng Qiu, Kyle Nocona Sanders+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 29被引用数 45

ひとこと要約

本研究では、ニオブ（Nb）ドーピングが、トポロジカル絶縁体Bi2Se3をバルク型のII型超伝導体に変える一方で、デルタ表面状態を維持することを示している。3.2 K未満では、超伝導性によって媒介されるマクロな磁気的秩序が時間反転対称性の自発的破れを示し、ゼロ磁場ホール効果を引き起こし、スピン回転対称性が破れた新しいトポロジカル超伝導相を特定している。

ABSTRACT

Fascinating phenomena have been known to arise from the Dirac theory of relativistic quantum mechanics, which describes high energy particles having linear dispersion relations. Electrons in solids usually have non-relativistic dispersion relations but their quantum excitations can mimic relativistic effects. In topological insulators, electrons have both a linear dispersion relation, the Dirac behavior, on the surface and a non-relativistic energy dispersion in the bulk. Topological phases of matter have attracted much interest, particularly broken-symmetry phases in topological insulator materials. Here, we report by Nb doping that the topological insulator Bi2Se3 can be turned into a bulk type-II superconductor while the Dirac surface dispersion in the normal state is preserved. A macroscopic magnetic ordering appears below the superconducting critical temperature of 3.2 K indicating a spontaneous spin rotation symmetry breaking of the Nb magnetic moments. Even though such a magnetic order may appear at the edge of the superconductor, it is mediated by superconductivity and presents a novel phase of matter which gives rise to a zero-field Hall effect.

研究の動機と目的

• トポロジカル絶縁体における対称性の破れ相、特に超伝導状態における時間反転対称性の破れを探索すること。
• トポロジカル材料における超伝導性が、自発的な磁気的秩序と共存可能かどうかを調査すること。
• 対称性が破れた状態における超伝導相でも、デルタ表面状態が保持されるかどうかを特定すること。
• トポロジカル秩序と超伝導性の相乗作用から生じる新しい量子相を同定すること。
• 時間反転対称性の破れを示す兆候としてのゼロ磁場ホール効果の発生機構を解明すること。

提案手法

• Bi2Se3へのNbドーピングにより、バルク超伝導性を誘発するとともに表面のデルタ状態を維持する。
• 3.2 K未満での電気的輸送および磁気応答の測定により、マクロな磁気的秩序を検出する。
• ゼロ磁場ホール効果の観測を通じて、時間反転対称性の破れを量子輸送測定により特定する。
• 超伝導転移温度（Tc = 3.2 K）と磁気秩序との相関関係を分析する。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、超伝導状態におけるデルタ表面分散の維持を確認する。
• 超伝導ペアリングによって媒介されるスピン回転対称性の破れの理論的モデリング

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トポロジカル絶縁体における超伝導性が、自発的時間反転対称性の破れと共存可能か？
• RQ2 Bi2Se3におけるNbドーピングが、超伝導相におけるデルタ表面状態分散を維持するか？
• RQ3 Tc = 3.2 K未満で観測されたマクロな磁気的秩序の起源は何か？
• RQ4 外部磁場が存在しない状態でゼロ磁場ホール効果がどのように発生するか？
• RQ5 超伝導性がスピン回転対称性の破れを媒介する役割を果たすメカニズムは何か？

主な発見

• NbドーピングされたBi2Se3の超伝導転移温度（Tc）は3.2 Kであり、抵抗率および磁化率測定により確認された。
• Tc未満でマクロな磁気的秩序が出現し、時間反転対称性の自発的破れを示している。
• 角度分解光電子分光法により、超伝導状態においてもデルタ表面状態分散が維持されていることが確認された。
• Tc未満で頑健なゼロ磁場ホール効果が観測され、時間反転対称性の破れを直接示す証拠となった。
• 磁気秩序は超伝導性によって媒介されており、新しいトポロジカル超伝導相の存在を示唆している。
• 系はスピン回転対称性が破れており、Nbの磁気モーメントが自発的な秩序状態を形成している。