[논문 리뷰] Evidence of nodal superconductivity in monolayer 1H-TaS$_2$ with hidden order fluctuations

Viliam Vaňo, Somesh Chandra Ganguli외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 14.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 53인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 초고온에서의 저온 스캐닝 턨널링 현미경 및 스펙트로스코피를 사용하여 순수한 단일층 1H-TaS₂에서 노드형 초전도성의 직접적 증거를 제공한다. 연구자들은 초전도성 갭이 V자형을 이룬다는 것을 관찰하였으며, 페르미 수준 근처에서 다체 상태의 진동수를 확인하였고, 자기장 하에서 정상 상태에서의 가짜 갭을 관측하였다—이것은 비보일런트 초전도성의 핵심 징후이다. 비자기적 불순물에 의해 시스템은 전통적인 s파일드 초전도성으로 전이된다.

ABSTRACT

Unconventional superconductors represent one of the fundamental directions in modern quantum materials research. In particular, nodal superconductors are known to appear naturally in strongly correlated systems, including cuprate superconductors and heavy-fermion systems. Van der Waals materials hosting superconducting states are well known, yet nodal monolayer van der Waals superconductors have remained elusive. Here, using low-temperature scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) experiments, we show that pristine monolayer 1H-TaS$_2$ realizes a nodal superconducting state. By including non-magnetic disorder, we drive the nodal superconducting state to a conventional gapped s-wave state. Furthermore, we observe the emergence of many-body excitations close to the gap edge, signalling a potential unconventional pairing mechanism. Our results demonstrate the emergence of nodal superconductivity in a van der Waals monolayer, providing a building block for van der Waals heterostructures exploiting unconventional superconducting states.

연구 동기 및 목표

• 단일층 1H-TaS₂에서 비보일런트 초전도성을 확인하기 위해, 이전에 노드형으로 확인되지 않은 반데르발스 물질에서 비보일런트 쌍화를 규명한다.
• 전자 상호작용과 다체 상태의 변동이 비보일런트 쌍화를 안정화시키는 데 미치는 영향을 조사한다.
• 비자기적 불순물에 의한 초전도성의 반응을 조사하고, 쌍화 대칭에 미치는 영향을 규명한다.
• 단일층 1H-TaS₂를 비보일런트 초전도 상태를 갖는 반데르발스 헤테로구조를 설계하기 위한 플랫폼으로 확립한다.

제안 방법

• 초저온에서의 스캐닝 터널링 현미경(STM) 및 스펙트로스코피(STS) 측정을 350 mK에서 초고진공 조건에서 수행하였다.
• dI/dV 스펙트럼은 911 Hz 조절 주파수를 사용한 락인 검출 및 개방 피드백 루프 구성으로 기록되었다.
• 섬유 크기의 오차를 피하기 위해, 연장된 단일층 영역에서 일정 전류 모드로 STM 영상을 확보하였다.
• 이론적 밴드 구조 및 페르미 표면 계산을 통해 실험 데이터를 해석하였으며, 이소스피너 전자기구의 스핀 분리 효과를 포함하였다.
• 전자 스펙트럼의 자기장 의존성을 측정하여 가짜 갭 형성 여부를 조사하였다.
• 비자기적 불순물을 도입하여 노드형 상태의 안정성과 s파일드 쌍화로의 전이에 대한 저항성을 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순수한 단일층 1H-TaS₂는 노드형 초전도 상태를 갖는가? 이는 비보일런트 쌍화를 시사하는가?
• RQ2 초전도 상태에서 페르미 수준 근처에서 관측된 저에너지 다체 상태의 진동수는 무엇인가?
• RQ3 비자기적 불순물은 단일층 1H-TaS₂의 초전도 쌍화 대칭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 수직 방향의 자기장이 정상 상태에서 가짜 갭을 유도하는가? 다른 비보일런트 초전도체에서 관찰된 바와 같은가?
• RQ5 단일층 1H-TaS₂는 설계된 비보일런트 초전도 상태를 갖는 반데르발스 헤테로구조의 功能적 빌딩 블록이 될 수 있는가?

주요 결과

• 단일층 1H-TaS₂는 dI/dV 스펙트럼에서 V자형 초전도 갭을 나타내며, 이는 전통적인 BCS 이론와 부합하지 않으며 노드형 쌍화를 시사한다.
• 다체 상태의 진동수는 초전도 갭 내부의 페르미 수준 근처에서 나타나며, 비보일런트 쌍화 채널과의 결합을 시사한다.
• 수직 자기장의 적용은 정상 상태에서 가짜 갭을 유도하며, 이는 비보일런트 초전도체에서의 전형적인 쌍 형성의 징후이다.
• 비자기적 불순물의 도입은 시스템을 노드형 초전도 상태에서 전통적인 s파일드 초전도 상태로 전이시킨다.
• 청정한 단일층 반데르발스 물질에서 노드형 초전도성과 저에너지 다체 상태의 변동이 공존함을 확인함으로써, 비보일런트 성격이 입증된다.
• 결과적으로, 단일층 1H-TaS₂는 상호작용 초전도성 탐구 및 특이한 양자 상태를 갖는 인공 헤테로구조 설계를 위한 실현 가능한 플랫폼으로 확립된다.