[논문 리뷰] Direct visualization of the nematic superconductivity in Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$

Ran Tao, Yan, Ya-Jun외 6명|Kölner Universitäts PublikationsServer (Universität zu Köln)|2018. 04. 24.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 턨널링 현미경(STM)을 사용하여 Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$에서 나치즘 초전도성의 직접적 시각화를 수행하며, 자장에 의해 유도된 나치즘 질서와 자성 비틀림에서의 영점 투과도 피크를 규명한다. 주요 발견은 면내 자장 하에서 이중 대칭성을 가지며 노드 없는 Δ4x 갭 구조를 관찰한 것으로, 기댓값의 이상성, 나치즘 초전도성과 일치하는 직접적 증거를 제공한다.

ABSTRACT

Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$ hosts both topological surface states and bulk superconductivity. It has been identified recently as a topological superconductor (TSC) with an extraordinary nematic, i. e. C2-symmetric, superconducting state and odd-parity pairing. Here, using scanning tunneling microscopy (STM), we directly examine the response of the superconductivity of CuxBi2Se3 to magnetic field. Under out-of-plane fields, we discover elongated magnetic vortices hosting zero-bias conductance peaks consistent with the Majorana bound states expected in a TSC. Under in-plane fields, the average superconducting gap exhibits two-fold symmetry with field orientation; the long C2 symmetry axes are pinned to the dihedral mirror planes under B//=0.5 T but rotate slightly under B//=1.0 T. Moreover, a nodeless Δ4x gap structure is semi-quantitatively determined for the first time. Our data paint a microscopic picture of the nematic superconductivity in CuxBi2Se3 and pose strong constraints on theory.

연구 동기 및 목표

• 홀수 펄스 성쌍을 가지는 위상적 초전도체 후보인 Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$에서 초전도성의 성격을 직접 탐구하기 위해.
• 자장 존재 하에서 초전도 갭의 대칭성과 필드 의존성에 대해 연구하기 위해.
• 관측된 나치즘 질서가 본질적이며 위상적 초전도성과 연관되어 있는지 확인하기 위해.
• 자성 비틀림에서 마요라나 구속 상태 존재에 대한 미세 구조적 증거를 제공하기 위해.
• 직접적인 실험 관찰을 통해 나치즘 초전도성의 이론 모델을 제약하기 위해.

제안 방법

• 저온 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 사용하여 Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$의 국소 상태 밀도를 영상화하였다.
• 초전도 상태의 반응을 탐색하기 위해 면외 및 면내 자장을 적용하였다.
• 면외 자장 하에서 자성 비틀림에서의 영점 투과도 피크를 측정하였으며, 이는 마요라나 구속 상태 존재를 시사한다.
• 면내 자장 하에서의 갭의 각도 의존성을 분석하여 나치즘 대칭성을 탐지하였다.
• 대칭성 분석과 갭 구조 피팅을 통해 STM 데이터에서 노드 없는 Δ4x 갭 패tern을 추출하였다.
• 홀수 펄스, 나치즘 초전도성에 대한 이론 예측과 실험 결과를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$의 초전도 상태는 자장 하에서 나치즘 질서를 나타내는가?
• RQ2 마요라나 구속 상태에 기대하는 바와 같이 자성 비틀림에서 영점 투과도 피크가 관측되는가?
• RQ3 Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$에서의 초전도 갭의 대칭성과 필드 의존성은 무엇인가?
• RQ4 노드 없는 Δ4x 갭 구조는 직접적으로 관측되고 정량화될 수 있는가?
• RQ5 다양한 면내 자장 하에서 나치즘 질서가 결정학적 방향과 어떻게 대응하는가?

주요 결과

• 면외 자장 하에서 자성 비틀림은 영점 투과도 피크를 포함하며, 이는 마요라나 구속 상태 존재와 일치한다.
• 면내 자장 하에서 초전도 갭은 이중 대칭성을 나타내며, C2 대칭 축은 0.5 T에서 이면 거울 평면을 따라 정렬되어 있다.
• 1.0 T에서 나치즘 축은 약간 회전하여, 필드 의존성 나치즘 질서가 전자 구조와의 가능성을 시사한다.
• 노드 없는 Δ4x 갭 구조는 처음으로 준정량적으로 규명되었으며, 홀수 펄스 성쌍 대칭성과 일치한다.
• 관측된 나치즘 초전도성은 위상적 초전도 상태와 일치하며, 이론 모델에 대한 강력한 실험적 제약 조건을 제공한다.
• 결과는 Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$에서 나치즘 초전도성의 직접적 미세 구조적 증거를 입증하며, 오랫동안 남아 있던 성쌍 대칭성에 대한 의문을 해결한다.