[論文レビュー] Unexpected zero bias conductance peak on the topological semimetal Sb(111) with a single broken layer

Yau Chuen Yam|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 19被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、スキャントンネル顕微鏡および準粒子干渉を用いて、亜砒素（Sb）(111)表面における不完全な層の存在下で観測されたゼロバイアス伝導度ピーク（ZBCP）の自明な起源を特定した。ZBCPは、フェルミ準位近くのヴァン・ホーブ特異点に起因する修正されたバンド構造に起因するものであり、マジョラナフェルミオンによるものではない。これは、トポロジカル超伝導体ヘテロ構造において、このような自明な起源を排除する必要があることを強調している。

ABSTRACT

The signature of the long-sought Majorana fermion from a heterostructure of a superconductor and a topological material is the zero bias conductance peak (ZBCP). Topological semimetal Antimony is a good material in making such heterostructure. Since it is of a bilayer crystal structure, it is expected to be cleaved between bilayers. However, we found that on its cleaved surface there can be steps with step heights corresponding to the intrabilayer distance, indicating that there is a broken layer underneath. The dI/dV spectrum observed using scanning tunneling microscope on these abnormal steps are quite different from the usual Sb spectrum and there is a pronounced ZBCP. Using quasiparticle interference imaging, Landau level spectroscopy and density functional theory (DFT), we found that the ZBCP is originated from the changed band structure through van Hove singularity. This shows that when we try to probe the signature of Majorana fermion in the heterostructure, we need to make sure the ZBCP is not from this trivial origin due to the imperfectness of the topological material.

研究の動機と目的

• Sb(111)表面に不完全な段差が存在する場合に観測された予期しないゼロバイアス伝導度ピーク（ZBCP）の起源を調査すること。
• トポロジカル半金属Sb(111)におけるZBCPが、マジョラナフェルミオンの兆候であるのか、それとも自明な電子的効果に起因するのかを特定すること。
• 表面欠陥、たとえば不完全な層が、電子状態にどのように影響を与え、ZBCPを引き起こすかを検討すること。
• トポロジカル量子デバイス候補材料におけるZBCPのトポロジカル的および自明な起源を区別すること。

提案手法

• 異常な段差を持つSb(111)表面において、局所的dI/dVスペクトルを測定するためのスキャントンネル顕微鏡（STM）を実施。
• 準粒子干渉（QPI）像を用いて、運動量空間における電子状態をマッピングし、散乱特徴を同定。
• 磁場下での量子化エネルギー準位を分析するためのランダウ準位分光法を適用し、バンド構造の変更を確認。
• Sb(111)における不完全な層の電子状態をモデル化し、観測されたZBCPを再現するために密度汎関数理論（DFT）計算を実施。
• 実験的dI/dVスペクトルとDFT予測バンド構造を比較し、ZBCPがフェルミ準位近くのヴァン・ホーブ特異点に起因することを結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不完全な層を有するSb(111)表面で観測された予期しないゼロバイアス伝導度ピーク（ZBCP）の原因は何か？
• RQ2 ZBCPはマジョラナフェルミオンの兆候であるのか、それとも表面欠陥に起因する自明な効果であるのか？
• RQ3 不完全な層の存在が、フェルミ準位近くのSb(111)のバンド構造にどのように影響を与えるか？
• RQ4 修正されたバンド構造に生じるヴァン・ホーブ特異点が、ZBCPの形成にどの程度寄与するか？
• RQ5 準粒子干渉およびランダウ準位分光法は、ZBCPのトポロジカル的起源と自明な起源を区別できるか？

主な発見

• 不完全な層を有するSb(111)で観測されたZBCPは、マジョラナフェルミオンの兆候ではなく、表面欠陥に起因する修正されたバンド構造に起因する。
• ZBCPは、不完全な層によって誘発されたヴァン・ホーブ特異点に起因し、フェルミ準位での状態密度が増大している。
• 準粒子干渉像では、不完全な層付近の修正されたバンド構造と整合する明確な散乱パターンが観測された。
• ランダウ準位分光法により、フェルミ準位近くに平坦なバンドが存在することが確認され、DFT予測のヴァン・ホーブ特異点を裏付けた。
• DFT計算により、不完全な層領域における層内距離の変化が、電子状態の顕著な再構成を引き起こすことが示された。
• 本研究では、自明な表面欠陥がトポロジカルな兆候を模倣することが可能であることが示され、マジョラナフェルミオンの検出を主張する前に、慎重な特徴化が不可欠であることが明らかになった。