[論文レビュー] Tunneling spectroscopy of few-monolayer NbSe$_2$ in high magnetic field: Ising protection and triplet superconductivity

Marko Kuzmanović, Tom Dvir+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、少数層NbSe₂に対して高磁場トンネル分光法を用い、パウリ限界をはるかに超える頑健な超伝導性の実証を行った。これはイジング保護と等スピン三重粒子超伝導性（ESTS）に起因するとされる。データは、バイレイヤーNbSe₂において30 Tまで持続する磁場依存の超伝導ギャップを示しており、標準的なイジング理論とは矛盾するが、面内磁場によるsinglet順序パラメータへのESTS結合を含むモデルによりうまく説明される。

ABSTRACT

In conventional Bardeen-Cooper-Scrieffer (BCS) superconductors, Cooper pairs of electrons of opposite spin (i.e. singlet structure) form the ground state. Equal spin triplet pairs (ESTPs), as in superfluid $^3$He, are of great interest for superconducting spintronics and topological superconductivity, yet remain elusive. Recently, odd-parity ESTPs were predicted to arise in (few-)monolayer superconducting NbSe$_2$, from the non-colinearity between the out-of-plane Ising spin-orbit field (due to the lack of inversion symmetry in monolayer NbSe$_2$) and an applied in-plane magnetic field. These ESTPs couple to the singlet order parameter at finite field. Using van der Waals tunnel junctions, we perform spectroscopy of superconducting NbSe$_2$ flakes, of 2--25 monolayer thickness, measuring the quasiparticle density of states (DOS) as a function of applied in-plane magnetic field up to 33T. In flakes $\lesssim$ 15 monolayers thick the DOS has a single superconducting gap. In these thin samples, the magnetic field acts primarily on the spin (vs orbital) degree of freedom of the electrons, and superconductivity is further protected by the Ising field. The superconducting energy gap, extracted from our tunnelling spectra, decreases as a function of the applied magnetic field. However, in bilayer NbSe$_2$, close to the critical field (up to 30T, much larger than the Pauli limit), superconductivity appears to be more robust than expected from Ising protection alone. Our data can be explained by the above-mentioned ESTPs.

研究の動機と目的

• 高面内磁場下における少数層NbSe₂における超伝導臨界磁場の増大の起源を調査すること。
• イジングスピン軌道結合と等スピン三重粒子対称性（ESTS）が、観測されたパウリ限界をはるかに超える頑健性を説明できるかどうかを特定すること。
• スイングレット超伝導性にイジング保護が働く場合と、内在的ESTS順序パラメータを含む状況とを区別すること。
• トンネル分光法データを用いてスピン軌道結合と三重粒子対称性の寄与を定量的に評価すること（最大33 Tまで）。
• 理論的モデル（イジング保護とアブリコスフ＝ゴルコフ型抑制）を実験データと照合して検証すること。

提案手法

• 2〜25単層の剥離されたNbSe₂フラクチュアにヴァン・デル・ワールストンネル接合を形成した。
• 最大33 Tの磁場下で、準粒子状態密度（DOS）をトンネル分光法により測定した。
• 面内磁場を印加し、スピン軌道結合と超伝導性の相乗作用を調査した。
• 測定されたDOSをフィッティングして、磁場依存の超伝導ギャップを抽出し、イジング理論とESTSモデルとを比較した。
• イジング保護、アブリコスフ＝ゴルコフ理論、およびイジング＋ESTS結合を含む理論的モデルを用いてデータを解釈した。
• モデルフィッティングにおいて不純物およびバルク間スキャッタリング効果を考慮し、誤差棒はフィッティングの統計的解析から導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イジング保護のみで、高面内磁場下における少数層NbSe₂の超伝導ギャップの抑制が説明可能か？
• RQ2 バイレイヤーNbSe₂におけるパウリ限界をはるかに超える超伝導性の持続は、等スピン三重粒子対称性の存在を示唆するか？
• RQ3 順序パラメータに等スピン三重粒子成分を含めることで、標準的イジング理論に比べて実験的トンネル分光スペクトルへのフィッティングがどの程度改善されるか？
• RQ4 スピン軌道結合の強さとバルク間スキャッタリングが、臨界磁場の挙動に果たす役割は何か？
• RQ5 観測されたギャップの磁場依存性は、面内磁場によるスイングレット－トライプレット結合を伴う微視的メカニズムと整合的か？

主な発見

• 15単層以下のフラクチュアでは、準粒子状態密度に単一の超伝導ギャップが観測され、面内磁場が増加するにつれて減少した。
• バイレイヤーNbSe₂における超伝導ギャップは約30 Tまで持続し、パウリ限界を著しく超えており、標準的イジング保護をはるかに上回る頑健性を示している。
• データは、純粋なイジング理論やアブリコスフ＝ゴルコフモデルとは矛盾しており、特に「線形的」中間磁場領域のギャップ進化を再現できない。
• データへの最良のフィットは、イジング保護と順序パラメータの等スピン三重粒子成分を併せ持つモデルによって達成され、バイレイヤーでは $E_{SO} = 9.62T_{cs}$ および $T_{ct} = 0.05T_{cs}$ が得られた。
• 抽出されたスピン軌道結合エネルギー $E_{SO}$ はARPES測定と整合しており、バイレイヤーNbSe₂（$T_{cs} = 2.6$ K）では $E_{SO} ightarrow 14.45T_{cs}$、6単層（$T_{cs} = 5.4$ K）では $E_{SO} = 2.21T_{cs}$ と推定された。
• スイングレット対称性とK/K’–Γ結合のみを含む理論的モデルはデータにフィットせず、定量的記述には三重粒子対称性の導入が不可欠であることを裏付けた。