[논문 리뷰] Direct Evidence of Superconductivity with Twofold Symmetry in Bi2Te3 Thin Film Deposited on FeTe0.55Se0.45

Minyang Chen Xiaoyu Chen, Huan Yang외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 25.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 27인용 수 31

한 줄 요약

이 연구는 Bi2Te3 투명막을 FeTe0.55Se0.45 기반으로 성장시켜 양자입자 간섭(QPI) 분광법을 통해 이중 대칭성을 가진 초전도성의 직접 실험적 증거를 제시한다. 초전도 갭에서 관측된 이중 대칭성, Δ₄y로 표기되며, 기저 상태의 펄스 성질을 나타내며, 비틀림형의 소용돌이 핵은 메이저라나 영모드를 암시하는 연장된 형태를 보이며, 이는 이 시스템에서의 위상적 초전도성에 강력한 지원을 제공한다.

ABSTRACT

Topological superconductor is a timely and frontier topic in condensed matter physics. In superconducting state, an order parameter will be established with the basic or subsidiary symmetry of the crystalline lattice. In doped Bi2Se3 with a basic threefold symmetry, it was predicted however that superconductivity may have a twofold symmetry of odd parity. Here we report the proximity effect induced superconductivity in Bi2Te3 thin film on top of an iron-based superconductor FeTe0.55Se0.45. By using the quasiparticle interference technique, we demonstrate clear evidence of twofold symmetry of the superconducting gap. The gap minimum is along one of the main crystalline axis following the so-called Delta_4y notation. This is also accompanied by the elongated vortex shape mapped out by the density of states within the superconducting gap, with probably the Majorana mode within the vortex core. Our results reveal the direct evidence of superconductivity with odd parity in Bi2Te3 thin film.

연구 동기 및 목표

• FeTe0.55Se0.45, 철기반 초전도체인 Bi2Te3 투명막에 의해 유도된 비접촉 초전도성의 연구.
• Bi2Te3 층에서의 초전도 갭 대칭성, 특히 이중 대칭성 또는 삼중 대칭성 여부의 규명.
• 기저 상태의 펄스 성질 및 잠재적 위상적 초전도 상태, 특히 소용돌이 핵 내의 메이저라나 영모드 탐색.
• 위상적 절연체 기반 이종구조에서의 기저 상태 초전도성 이론 예측에 대한 직접적인 실험적 검증 제공.

제안 방법

• 분자기상 에pitaxial 성장법을 사용하여 FeTe0.55Se0.45 단일 결정 기반 Bi2Te3 투명막 성장.
• 스캐닝 턨널링 현미경(STM) 및 양자입자 간섭(QPI) 분광법을 활용하여 초전도 갭의 운동량 공간적 구조를 매핑.
• QPI 패턴 분석을 통해 오더 파ram터의 대칭성 추출, 주로 이중 회전 대칭성을 가진 Δ₄y 유형 갭 식별.
• 소용돌이 내에서 상태 밀도의 공간 분포를 영상화하여 비정상적인 위상적 특성을 암시하는 연장된 형태 탐지.
• 실험적 QPI 데이터를 이론적 시뮬레이션과 비교하여 기저 상태의 펄스 성질 대칭성 존재 확인.
• 각도 의존 측정을 통해 특정 결정 축을 따라 갭 최소값 확인, Δ₄y 대칭성과 일치.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Bi2Te3 투명막에서 FeTe0.55Se0.45 기반으로 성장된 초전도 갭이 기저 상태의 펄스 성질에 따라 예측된 이중 대칭성을 보이는가?
• RQ2 이 이종구조에서의 초전도 오더 파라미터의 공간적 및 운동량 공간적 구조는 어떠한가?
• RQ3 소용돌이 핵 영역에서 메이저라나 영모드와 같은 위상적 초전도성의 징후가 존재하는가?
• RQ4 FeTe0.55Se0.45로부터의 비접촉 효과가 Bi2Te3에서의 초전도성 대칭성에 어떻게 유도되고 영향을 미치는가?
• RQ5 양자입자 간섭 패턴은 이 시스템에서 짝수 및 기저 상태의 펄스 초전도 상태를 구별할 수 있는가?

주요 결과

• 양자입자 간섭 패턴은 초전도 갭에서 명확한 이중 회전 대칭성을 보이며, 최소값이 주요 결정 축 중 하나에 정렬되어 있다.
• 초전도 갭 대칭성은 Δ₄y로 확인되어 기저 상태의 펄스 성질을 나타내며, 전통적인 짝수 펄스 s-파 또는 d-파 상태와 일치하지 않는다.
• 소용돌이 핵은 상태 밀도에서 연장된 형태를 보이며, 강한 이방성과 메이저라나 영모드의 국소화 가능성을 암시한다.
• 관측된 갭 대칭성은 Bi2Te3의 기본 결정 구조와 직접 연결되어 있으며, 이는 삼중 대칭성을 가진다. 그러나 초전도 상태는 이를 이중 대칭성으로 깨뜨린다.
• 이 결과는 위상적 절연체 기반 이종구조에서 기저 상태 초전도성에 대한 첫 번째 직접 실험적 증거를 제공한다.
• 이러한 발견은 이 시스템에서 위상적 초전도성의 발생을 지지하며, 고장 내성 양자 컴퓨팅에 대한 함의를 지닌다.