[논문 리뷰] Enhanced Superconductivity in Monolayer $T_d$-MoTe$_2$ with Tilted Ising Spin Texture

Daniel Rhodes, Noah F. Q. Yuan외 14명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 16.

2D Materials and Applications참고 문헌 28인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 강한 전자-전자 상호작용과 뚜렷한 수직 방향 스핀 오비탈 결합을 갖는 기울어진 이즈잉 스핀 구조를 통해 단층 Td-MoTe2에서 초전도 전이 온도(Tc)가 60배 향상되어 7.6 K에 도달함을 보여준다. 초전도성은 게이트로 조절 가능하며, 기울어진 이즈잉 모델과 일치하는 고유한 면내 자기장 응답을 보이며, 코플러 쌍을 보호하는 강력한 스핀 구조임을 확인한다.

ABSTRACT

Crystalline two-dimensional (2D) superconductors with low carrier density are an exciting new class of materials in which superconductivity coexists with strong interactions, the effects of complex topology are not obscured by disorder, and electronic properties can be strongly tuned by electrostatic gating. Very recently, two such materials, 'magic-angle' twisted bilayer graphene and monolayer $T_d$-WTe$_2$, have been reported to show superconductivity at temperatures near 1 K. Here we report superconductivity in semimetallic monolayer $T_d$-MoTe$_2$. The critical temperature $T_ extrm{c}$ reaches 8 K, a sixty-fold enhancement as compared to the bulk. This anomalous increase in $T_ extrm{c}$ is only observed in monolayers, and may be indicative of electronically mediated pairing. Reflecting the low carrier density, the critical temperature, magnetic field, and current density are all tunable by an applied gate voltage, revealing a superconducting dome that extends across both hole and electron pockets. The temperature dependence of the in-plane upper critical field is distinct from that of $2H$ transition metal dichalcogenides (TMDs), consistent with a tilted spin texture as predicted by extit{ab initio} theory.

연구 동기 및 목표

• 2차원 한계에서 고유의 낮은 캐리어 농도를 가진 단층 Td-MoTe2의 초전도 성질을 조사한다.
• 기존의 Td-MoTe2(120 mK)에 비해 Tc가 급격히 향상된 원인을 규명한다.
• 고면내 자기장에서 초전도성을 안정화시키는 스핀 오비탈 결합과 스핀 구조의 역할을 탐구한다.
• 청결한 봉입된 2차원 시스템에서 초전도성의 전기적 터널링 가능성을 확립한다.
• 각도 의존성에 기반한 상한 임계 자기장의 측정을 통해 기울어진 이즈잉 스핀 구조의 존재를 확인한다.

제안 방법

• 고품질 단일 결정 Td-MoTe2는 자가용매법을 통해 합성되었고, 관성 대기 중에서 기계적으로 분리되었다.
• 단층 플레이크는 불화수소질화갈륨(h-BN) 층 사이에 봉입되어 불순물과 환경적 열화를 최소화하였다.
• 밀봉된 h-BN 봉입 또는 사전 패턴화된 접촉 잠금 기술을 사용하여 고품질의 게이트 조절 가능한 장치를 제작하였다.
• 고자기장(최대 18 T)과 저온(최저 30 mK) 조건에서 운반 측정을 수행하여 상한 임계 자기장(Hc2)의 이방성 특성을 분석하였다.
• 면내 Hc2(T) 데이터는 기울어진 이즈잉 스핀 오비탈 결합 모델에 맞추어 적합하여 Δ⊥_so 및 Δ∥_so 파라미터를 추출하였다.
• 밀도함수이론(DFT) 계산을 통해 전자 밴드 구조와 스핀 구조를 계산하여 관측된 스핀 오비탈 분리 현상에 대한 이론적 근거를 제공하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단층 Td-MoTe2에서 기존의 부스러기 대비 Tc가 급격히 향상되는 원인은 무엇인가?
• RQ2 단층 Td-MoTe2의 스핀 구조는 면내 자기장에 대한 초전도성 반응에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 단층 Td-MoTe2에서 초전도성은 전기적 게이팅을 통해 어느 정도 조절 가능한가?
• RQ4 단층 Td-MoTe2의 스핀 오비탈 결합 특성은 무엇이며, 기울어진 이즈잉 구조를 나타내는가?
• RQ5 스핀 오비탈 결합 이외의 추가 메커니즘이 이 시스템에서 상한 임계 자기장을 제한하는가?

주요 결과

• 단층 Td-MoTe2의 임계 온도(Tc)는 7.6 K에 도달하여 부스러기의 120 mK 대비 60배 향상되었다.
• 면내 상한 임계 자기장(Hc2)은 전통적인 스핀 오비탈 결합에 기대어 기대되는 제곱근 온도 의존성과 크게 다름을 보이며, 기울어진 이즈잉 스핀 구조 모델과 일치한다.
• Hc2(T) 데이터의 적합 결과, 한 샘플(S1)에서는 Δ⊥_so ≈ 2.34 meV 및 Δ∥_so / Δ⊥_so ≈ 15%를, 다른 샘플(S2)에서는 약 ~4.6%의 낮은 비율을 나타내어 샘플에 따라 스핀 구조 이방성이 있음을 시사한다.
• Klemm-Luther-Beasley 모델은 저온에서 Hc2를 과대평가하므로, 이 시스템은 더러운 상태가 아니라 청결한 상태임을 나타낸다.
• 관측된 스핀 구조와 스핀 오비탈 결합 파라미터는 DFT 계산된 밴드 구조와 양호한 일치를 보인다.
• 샘플 간 Hc2/Hp 비율의 괴리에서 스핀 오비탈-대칭 결합(SOPC)과 같은 추가 메커니즘이 존재할 가능성이 있으며, 이는 Hc2를 추가로 향상시킬 수 있다.