[논문 리뷰] Beyond Spin-Triplet: Nodal Topological Superconductivity in a Noncentrosymmetric Semimetal

Hyunsoo Kim, Kefeng Wang외 12명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 10.

Topological Materials and Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비중심성 반헬스러 구조에서 $j=3/2$ 페르미온이 기여하는 스핀 트리플렛 유사 쌍성 상태를 가진 새로운 노드형 토폴로지적 초전도체인 YPtBi를 제안한다. 룬던 침투 깊이의 선형 온도 의존도는 초전도 갭 내 선형 노드를 드러내며, 이는 $p$-유형의 $\Gamma_8$ 밴드에 대한 $\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}$ 모델링에 의해 지지되며, 총 각운동량이 높고 내재된 토폴로지 순서를 가진 $J=3$ 세븐티트 쌍성 상태임을 시사한다.

ABSTRACT

The discovery of superconductivity in the rare earth-based half-Heusler semimetals RTBi (R=rare earth, T=Pt, Pd) has opened a new avenue for investigation of topological phases of matter. With charge carrier densities several orders of magnitude lower than conventional metals, these materials pose a challenge for investigating the nature of the superconducting state, which itself may have inherent topological properties. Here, we report experimental evidence for an unconventional superconducting state in YPtBi, which presents a striking linear temperature dependence of the London penetration depth consistent with line nodes in the superconducting order parameter $\Delta$. With strong antisymmetric spin-orbit coupling giving rise to spin-split Fermi surfaces -- as verified by angle-dependent Shubnikov-de Haas oscillations and angle-resolved photoemission spectroscopy -- we propose a $\mathbf{k\cdot p}$ model of $j=3/2$ fermions that naturally leads to exotic nodal Cooper pairing states with high total angular momentum. With the simplest gap model involving a dominant $J=3$ septet pairing between the $j=3/2$ fermions of the $p$-like $\Gamma_8$ band, the topological pairing states in this half-Heusler compound present a truly novel form of superconductivity that has strong potential for leading the development of a new series of topological superconductors.

연구 동기 및 목표

• 저전하 운반자 밀도를 가진 비중심성 반헬스러 반도체인 YPtBi의 비국소 초전도 상태를 조사하기 위해.
• YPtBi의 초전도 상태가 오더 파라미터 내 노드 구조를 포함하는 토폴로지적 성질을 보이는지 확인하기 위해.
• 강한 스핀-오비트 결합과 $j=3/2$ 페르미온이 고총각운동량을 가진 이상한 쿠퍼 쌍성 상태로 이어지는 이론적 프레임워크를 수립하기 위해.
• 자기적 스핀 분리 피에르 표면을 내재로 가진 시스템에서의 초전도 쌍성 대칭성과 그 토폴로지적 성격을 규명하기 위해.

제안 방법

• 초전도 갭의 대칭성과 노드 구조를 탐사하기 위해 룬던 침투 깊이 $\lambda(T)$ 측정.
• 스핀 분리 피에르 표면의 구조를 매핑하고 강한 비대칭 스핀-오비트 결합을 확인하기 위해 각도 의존성 셰브니코프-데 하아스 진동 측정.
• 직접 $p$-유형의 $\Gamma_8$ 밴드와 $j=3/2$ 페르미온 상태를 관찰하기 위해 각도 분辨 광전자 방사 스펙트로스코피(ARPES) 수행.
• $j=3/2$ 페르미온의 저에너지 전자 구조를 묘사하기 위해 $\Gamma_8$ 밴드에서의 $\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}$ 효과적 해밀토니안 모델 구축.
• $j=3/2$ 만반에서 쿠퍼 쌍성의 이론적 분석을 수행하며, 총 각운동량이 높은 주요 $J=3$ 세븐티트 쌍성 채널에 초점을 맞춤.
• 간극 대칭성과 노드 구조에 기반한 초전도 상태의 토폴로지적 특성 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 룬던 침투 깊이의 온도 의존도에 의해 나타나는 바와 같이, YPtBi의 초전도 상태가 오더 파라미터 내 선형 노드를 가지는가?
• RQ2 YPtBi에서 강한 비대칭 스핀-오비트 결합이 스핀 분리 피에르 표면을 유도하고 쌍성 대칭성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 $\Gamma_8$ 밴드에서의 $j=3/2$ 페르미온에 대한 $\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}$ 모델이 관측된 비국소 초전도성을 설명할 수 있는가?
• RQ4 YPtBi의 쿠퍼 쌍성 상태의 성격은 무엇이며, 비트리비얼 위상수를 가진 토폴로지적 초전도성을 지원하는가?
• RQ5 YPtBi의 초전도 쌍성은 $J=3$ 세븐티트 채널로 가장 잘 기술되는가, 그리고 이는 전통적인 스핀 싱เก릿 또는 스핀 트리플렛 쌍성과 어떻게 다를까?

주요 결과

• YPtBi의 룬던 침투 깊이는 선형 온도 의존성을 보이며, 초전도 갭 함수 내 선형 노드에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공한다.
• 각도 의존성 셰브니코프-데 하아스 진동 측정은 강한 비대칭 스핀-오비트 결합으로 인해 스핀 분리 피에르 표면이 존재함을 확인한다.
• 각도 분辨 광전자 방사 스펙트로스코피는 강한 스핀-오비트 얽힘을 가진 $p$-유형의 $\Gamma_8$ 밴드와 $j=3/2$ 페르미온 상태의 존재를 확인한다.
• $\Gamma_8$ 밴드에서의 $j=3/2$ 페르미온에 대한 $\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}$ 모델이 구축되었으며, 이는 고총각운동량을 가진 이상한 노드형 쿠퍼 쌍성 상태를 자연스럽게 지지한다.
• 주요 쌍성 채널은 $j=3/2$ 페르미온 간의 $J=3$ 세븐티트 쌍성으로 규명되었으며, 이는 기존의 스핀 트리플렛 또는 스핀 싱게릿 상태와는 다를 새로운 형태의 토폴로지적 초전도성을 이끈다.
• 결과 초전도 상태는 토폴로지적으로 비트리비얼하며, YPtBi가 고각운동량 쌍성 특성을 가진 새로운 종류의 토폴로지적 초전도체의 원형으로서의 잠재력을 지닌다.