[논문 리뷰] Chiral superconductivity in the alternate stacking compound 4Hb-TaS$_2$

Amit Ribak, R. Majlin Skiff외 7명|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|2019. 01. 01.

2D Materials and Applications인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 1H-TaS₂(초전도체)와 1T-TaS₂(모트 절연체/스핀 액체 후보) 층이 번갈아가며 배열된 반데르발스 이종구조인 4Hb-TaS₂에서 편광 초전도성의 존재를 규명한다. 뮤온 스핀 회절 및 ARPES를 통해 Tc ≈ 2.7 K에서 시간역행 대칭 위반을 입증하였으며, p+id 초전도 상태에서 채르니 수가 −3임을 확인하여, 이는 토폴로지 양자 컴퓨팅에 유망한 플랫폼임을 입증한다.

ABSTRACT

Layered van der Waals (vdW) materials are emerging as one of the most versatile directions in the field of quantum condensed matter physics. They allow an unprecedented control of electronic properties via stacking of different types of two-dimensional (2D) materials. A fascinating frontier, largely unexplored, is the stacking of strongly-correlated phases of matter in vdW materials. Here, we study 4Hb-TaS$_2$, which naturally realizes an alternating stacking of a Mott insulator, recently reported as a gapless spin-liquid candidate(1T-TaS$_2$), and a 2D superconductor (1H-TaS$_2$). This raises the question of how these two components affect each other. We find a superconducting ground state with a transition temperature of 2.7K, which is significantly elevated compared to the 2H polytype (Tc=0.7K). Strikingly, the superconducting state exhibits signatures of time-reversal-symmetry breaking abruptly appearing at the superconducting transition, which can be naturally explained by a chiral superconducting state.

연구 동기 및 목표

• 동일한 화학 조성을 가진 반데르발스 이종구조에서 초전도성과 강한 상관 효과를 가진 모트 절연체 상의 상호작용을 조사하기 위해.
• 1T-TaS₂(간격이 없는 스핀 액체 후보 모트 절연체)와 인접한 1H-TaS₂ 층에서 비정상적인 초전도성이 유도되는지 여부를 규명하기 위해.
• 4Hb-TaS₂에서 시간역행 대칭 위반과 편광 초전도성의 징후를 식별하기 위해.
• 초전도 상태의 토폴로지 성격을 채르니 수 계산 및 오더 파라미터 대칭성 분석을 통해 확립하기 위해.

제안 방법

• 4Hb 상을 안정화하기 위해 1% Se 도핑을 가한 고품질 단일 결정 4Hb-TaS₂를 합성하였다.
• 전자 밴드 구조 및 페르미 표면을 맵핑하기 위해 역방향 광전자 방출 분광법(ARPES)을 수행하였으며, 2H-TaS₂와 CDW 재구성 1T-TaS₂ 밴드의 혼합 구조를 규명하였다.
• 초전도 전이에서 자발적 자기모멘트 및 시간역행 대칭 위반을 탐지하기 위해 뮤온 스핀 회절(μSR) 측정을 실시하였다.
• 스핀-오비트 결합과 s/p/d-파 초전도 채널을 포함한 보골리우브-데 게인스(BdG) 해밀토니안을 구성하여, 쌍정비율 α에 따른 채르니 수를 계산하였다.
• 초전도 오더 파라미터 위상 계산을 위해 최대 제3근접 이웃 전이를 포함한 타이트버드 모델을 사용하였다.
• 페르미 표면에서의 초전도 갭 함수 위상을 분석하여 편광 쌍정 대칭(p+id)을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1H-TaS₂ 초전도 층이 1T-TaS₂ 모트 절연체 층과 인접해 있을 때 편광 초전도성을 유도하는가?
• RQ2 4Hb-TaS₂의 초전도 오더 파라미터 대칭은 무엇이며, 시간역행 대칭을 위반하는가?
• RQ3 4Hb-TaS₂의 초전도 상태는 비영인 채르니 수를 가질 수 있는가, 이는 토폴로지 순서를 나타내는가?
• RQ4 비정상적인 쌍정의 미세 구조 기원은 무엇이며, 모트 절연체에서 기인하는 스핀 변동이 이를 매개하는가?
• RQ5 p-파 및 d-파 성분의 혼합 비율이 초전도 상태에서 토폴로지 불변량(채르니 수)에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 4Hb-TaS₂는 Tc ≈ 2.7 K에서 초전도 전이를 보이며, 2H 다형체에서 관측된 0.7 K보다 뚜렷하게 높다.
• 뮤온 스핀 회절 측정 결과, Tc에서 갑작스럽게 자발적 자기모멘트가 나타나 시간역행 대칭 위반에 대한 직접적 증거를 제공한다.
• ARPES 측정 결과, 2H-TaS₂ 전자 포켓과 CDW 재구성 1T-TaS₂ 밴드로 구성된 혼합 밴드 구조를 확인하였으며, 후자는 페르미 수준에 더 가까이 이격되어 있다.
• BdG 프레임워크에서의 채르니 수 이론 계산 결과, 순수 p-파 쌍정(α = 1)에서 𝒞 = −3의 값을 보이며, 이는 토폴로지적으로 비자명한 편광 초전도 상태임을 나타낸다.
• 채르니 수는 쌍정 혼합 비율 α에 매우 민감하며, 순수 d-파 쌍정(α = 0)에서는 𝒞 = 0임을 확인하여 초전도 상태의 편광 성격을 확인한다.
• 결과는 모트 절연체인 1T-TaS₂ 층에서 기인하는 스핀 변동 매개 쌍정이 1H-TaS₂ 층에서 관측된 편광 p+id 쌍정을 이끄는 것으로 제안된다.