[論文レビュー] Unconventional Superconducting Quantum Criticality in Monolayer WTe2

Tiancheng Song, Yanyu Jia+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2023

Quantum and electron transport phenomenaPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、超低温Nernst効果測定を用いて、モノレイヤーWTe2に非従来の超伝導量子臨界点（QCP）を同定した。臨界温度より高い正常状態において、異常なほど大きな量子フラクチュエーションとヴォーテックスの増幅が観測された。ゼロ磁場下でNernst係数が約4,100 μV/KTに達し、臨界ドーピング未満では急激に消失する。これは従来のQPTモデルに反し、異なる秩序相の間の新しい連続的転移を示唆している。

ABSTRACT

The superconductor to insulator or metal transition in two dimensions (2D) provides a valuable platform for studying continuous quantum phase transitions (QPTs) and critical phenomena. Distinct theoretical models, including both fermionic and bosonic localization scenarios, have been developed, but many questions remain unsettled despite decades of research. Extending Nernst experiments down to millikelvin temperatures, we uncover anomalous quantum fluctuations and identify an unconventional superconducting quantum critical point (QCP) in a gate-tuned excitonic quantum spin Hall insulator (QSHI), the monolayer tungsten ditelluride (WTe2). The observed vortex Nernst effect reveals singular superconducting fluctuations in the resistive normal state induced by magnetic fields or temperature, even well above the transition. Near the doping-induced QCP, the Nernst signal driven by quantum fluctuations is exceptionally large in the millikelvin regime, with a coefficient of ~ 4,100 uV/KT at zero magnetic field, an indication of the proliferation of vortices. Surprisingly, the Nernst signal abruptly disappears when the doping falls below the critical value, in striking conflict with conventional expectations. This series of phenomena, which have no prior analogue, call for careful examinations of the mechanism of the QCP, including the possibility of a continuous QPT between two distinct ordered phases in the monolayer. Our experiments open a new avenue for studying unconventional QPTs and quantum critical matter.

研究の動機と目的

• 2次元超伝導体における量子相転移、特に超伝導体-絶縁体または超伝導体-金属転移付近の研究。
• ゲートでチューニング可能な励起子的量子スピンホール絶縁体であるモノレイヤーWTe2における量子臨界性の性質を解明すること。
• 観測された量子フラクチュエーションが、異なる秩序相の間の連続的量子相転移を示しているかどうかを特定すること。
• 2次元系における非ユニバーサルな振る舞いを同定することで、従来の量子臨界性理論モデルに挑戦すること。

提案手法

• 剥離したモノレイヤーWTe2デバイスを用いて、超低温（ミリケルビン）でのNernst効果測定を実施。
• ゲート電圧を印加して電子ドーピングを調整し、量子臨界点を通過させる。
• 超伝導転移温度より高い抵抗性の正常状態におけるNernst信号を測定。
• 長距離秩序が存在しない状態で、量子フラクチュエーションとヴォーテックスの増幅をNernst係数を用いて定量分析。
• 特に臨界ドーピング付近で信号が急激に消失する現象を、ドーピングレベルに応じてNernst信号の挙動を比較。
• 磁場および温度スイープを用いて、古典的効果からの量子フラクチュエーションの寄与を分離。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノレイヤーWTe2における量子臨界点の性質は何か？ これは、既存のフェルミオン的またはボソン的局在シナリオに従うか？
• RQ2 量子フラクチュエーションを示すNernst信号が、従来の予想とは反して臨界ドーピング未満で急激に消失するのはなぜか？
• RQ3 ゼロ磁場下で観測された大きなNernst係数（約4,100 μV/KT）は、正常状態におけるヴォーテックスの増幅に起因すると説明できるか？
• RQ4 異常な挙動から示唆されるように、2つの異なる秩序相の間の連続的量子相転移を示しているとみなせるか？
• RQ5 本2次元系で観測された非従来の超伝導量子臨界性の背後にあるメカニズムは何か？

主な発見

• モノレイヤーWTe2におけるNernst信号は、ミリケルビン領域のゼロ磁場下で、非常に大きな値である約4,100 μV/KTに達しており、強い量子フラクチュエーションを示している。
• これらのフラクチュエーションは、超伝導転移温度よりはるかに高い抵抗性の正常状態でも持続しており、事前に形成されたクーペル対またはヴォーテックス様励起状態の存在を示唆している。
• ドーピングが臨界値未満に低下すると、Nernst信号が急激に消失する。これは従来の量子臨界モデルとは整合しない。
• 観測された現象は、2つの異なる秩序相の間の連続的量子相転移を示唆しており、既存の理論枠組みに挑戦している。
• 結果は、標準的なフェルミオン的またはボソン的局在理論では説明できない、新しい形の非従来の超伝導量子臨界性を示唆している。
• これらの発見は、強い電子相関が働く2次元系における量子臨界物質の研究に、新たな道筋を提示している。