[논문 리뷰] Andreev Reflection Spectroscopy of Topological Superconductor Candidate Nb$_x$Bi$_2$Se$_3$

C. Kurter, A. D. K. Finck외 11명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 26.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 1인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 상전이 초전도체 후보로 여겨지는 Nb 도핑된 Bi2Se3에서 저온 전송 측정 및 최초 원리 밴드 계산을 이용해 안드레에프 반사성을 조사한다. 임계 전류 효과로는 설명되지 않는 온도 및 자기장 의존성의 영점 편류 도전도 피크는 잠재적으로 메이저라나 영점 모드에서 기인하는 금속 상태의 존재를 지지한다. 밴드 구조 계산은 Nb 삽입이 페르미 수준 근처에서 스핀 분리된 혼성 상태를 유도함을 확인하였으며, 이는 다중 밴드 초전도성과 위상적 쌍정과 일치한다.

ABSTRACT

We study unconventional superconductivity in thin exfoliated single crystals of a promising 3D topological superconductor candidate, Nb-doped Bi$_2$Se$_3$ through Andreev reflection spectroscopy and magneto-transport. Measurements of Andreev reflection in low and high resistance samples both show enhanced conductance around zero bias and conductance dips at the superconducting energy gap. Such behavior is inconsistent with conventional Blonder-Tinkham-Klapwijk theory of Andreev reflection. We discuss how our results are consistent with $p$-wave pairing symmetry, supporting the possibility of topological superconductivity in Nb-doped Bi$_2$Se$_3$.

연구 동기 및 목표

• 안드레에프 반사 스펙트로스코피를 이용해 Nb 도핑된 Bi2Se3의 금속 상태를 탐색한다.
• 영점 편류 도전도 피크가 위상적 메이저라나 모드에서 기인하는지, 또는 전통적인 초전도체 임계 전류 효과에서 기인하는지 확인한다.
• 최초 원리 계산을 통해 Nb 삽입이 Bi2Se3의 전자 구조에 미치는 영향을 이해한다.
• 실험적 도전도 스펙트럼을 예측된 다중 밴드 초전도 갭과 스핀 의존성 밴드 구조와 연계한다.

제안 방법

• 투명한 접촉을 가진 에폭시화된 Nb_xBi2Se3 플레이크에서 저온에서의 미분 도전도(dI/dV) 측정을 수행하였다.
• 임계 전류 효과와 내재된 금속 상태를 구별하기 위해 dI/dV의 온도 및 자기장 의존성을 측정하였다.
• 전자 밴드 구조를 계산하기 위해 PBE 기능을 사용한 밀도역학함수이론(DFT)을 사용하였다.
• 다양한 위치(표면, 계면, 오십중량층 내부)에 대한 Nb 삽입을 모델링하고 총 에너지 계산을 통해 가장 안정한 구조를 확인하였다.
• 페르미 수준 근처의 스핀 분리 상태를 식별하기 위해 스핀 분해 밴드 구조를 분석하였다.
• 계산된 밴드 구조를 실험적 도전도 스펙트럼과 비교하여 다중 갭 특징이 전자 구조와 어떻게 관련되는지 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Nb_xBi2Se3에서 관측된 영점 편류 도전도 피크는 위상적 메이저라나 금속 상태에서 기인하는가, 아니면 전통적인 초전도체 임계 전류 효과에서 기인하는가?
• RQ2 Nb 삽입은 Bi2Se3의 전자 밴드 구조, 특히 페르미 수준 근처에서 어떻게 변화시키는가?
• RQ3 Bi2Se3 슬립에서 Nb 원자가 선호하는 삽입 위치는 무엇이며, 전자적 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 미분 도전도 스펙트럼의 다중 갭 특징은 Nb에 의한 스핀 의존성 밴드 혼성화로 설명될 수 있는가?
• RQ5 다중 밴드 초전도성은 위상적 초전도 쌍정과 일치하는가?

주요 결과

• Nb_xBi2Se3에서의 영점 편류 도전도 피크는 온도가 상승함에 따라 크기가 감소하고, 자기장이 가해질수록 감소하며, 이는 임계 전류 효과에 기대어 예측된 바와 정반대이다.
• 열적 및 자기적 외부 자극에 의한 영점 편류 도전도의 감소는 외부 임계 전류 기원이 아닌 내재된 금속 상태의 존재를 지지한다.
• 총 에너지 계산을 통해 Nb 원자가 Bi2Se3의 오십중량층 사이의 계면에 선호적으로 자리잡는 것으로 확인되었다.
• Nb 삽입은 페르미 수준 근처에서 스핀 분리된 상태를 유도하며, Bi2Se3 밴드 갭 내에 스핀 업 상태 3개와 스핀 다운 상태 1개가 존재한다.
• 스핀 분해 밴드 구조 분석에서 Nb와 Bi2Se3 상태 간 강한 혼성화가 관찰되었으며, 이는 이전에 관측된 다중 페르미 표면과 일치한다.
• 계산된 전자 구조는 실험적으로 관측된 안드레에프 도전도 스펙트럼의 다중 갭 특징을 설명하며, 다중 밴드 초전도 쌍정 메커니즘을 지지한다.