[논문 리뷰] Fermiology and Superconductivity of Topological Surface States in PdTe$_2$

Oliver J. Clark, Matthew Neat외 16명|Tokyo Tech Research Repository (Tokyo Institute of Technology)|2017. 12. 12.

Topological Materials and Phenomena인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 순수한 PdTe₂가 Te $p$-오비탈에서의 계면간 힘줄에 의해 유도된 밴드 역전으로 인해 복잡한 다중곡면 피에르 표면 상태를 가진 스핀 편극화된 위상적 표면 상태를 갖는다는 것을 보여주지만, 스캐닝 터널링 분광법은 전통적인 s-파형 초전도성과 완전히 차단된, 노드가 없는 초전도 상태를 나타내어 위상적 표면 상태만으로는 위상적 초전도성을 유도하기에는 부족하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

We study the low-energy surface electronic structure of the transition-metal dichalcogenide superconductor PdTe$_2$ by spin- and angle-resolved photoemission, scanning tunneling microscopy, and density-functional theory-based supercell calculations. Comparing PdTe$_2$ with its sister compound PtSe$_2$, we demonstrate how enhanced inter-layer hopping in the Te-based material drives a band inversion within the anti-bonding p-orbital manifold well above the Fermi level. We show how this mediates spin-polarised topological surface states which form rich multi-valley Fermi surfaces with complex spin textures. Scanning tunneling spectroscopy reveals type-II superconductivity at the surface, and moreover shows no evidence for an unconventional component of its superconducting order parameter, despite the presence of topological surface states.

연구 동기 및 목표

• Tc ≈ 1.7 K인 부피 초전도체인 본질적인 PdTe₂에서 위상적 표면 상태와 초전도성의 상호작용을 조사하기 위해.
• PdTe₂에 존재하는 스핀 편극화된 위상적 표면 상태가 비정상적인 초전도성, 특히 스핀 삼중성 쌍성(pairing)을 유도하는지 여부를 규명하기 위해.
• 계면간 힘줄과 밴드 역전이 위상적 표면 상태에서 복잡한 다중곡면 피에르 표면 상태를 생성하는 데 미치는 역할을 이해하기 위해.
• PdTe₂의 위상적 표면 상태가 비정상적인 초전도성 쌍성에 의해 마요라나 영모드를 지지할 수 있는지 명확히 하기 위해.

제안 방법

• APE 비임브라인(Elettra)과 I05 비임브라인(Diamond Light Source)에서 스핀 및 각도 분辨 광전자 방출 분석(spin-ARPES)을 수행하여 표면 전자 구조와 스핀 텍스처를 매핑하였다.
• 40 mK에서 스캐닝 터널링 현미경 및 분광법(STM/STS)을 수행하여 초전도 갭 구조와 비틀림 핵 상태를 탐색하였다.
• 전자 밴드 구조를 모델링하고 밴드 역전 메커니즘을 규명하기 위해 밀도함수이론(DFT)-기반 초세포 계산을 수행하였다.
• 미분 도전도 스펙트럼에 Dyne 모델을 적합시켜 초전도 갭 크기와 코herence 특성을 추출하였다.
• 상한계 임계장과 비틀림 핵 감쇠 길이 측정을 위해 최대 1 T의 자기장을 적용하여 타입-II 초전도성임을 확인하였다.
• STM 측정에서 초전도체 피크를 사용하여 영에너지 유한 상태를 배제하고, 갭 내 모드의 부재를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PdTe₂에 존재하는 스핀 편극화된 위상적 표면 상태가 스핀 삼중성 쌍성 성분을 포함한 비정상적인 초전도성을 유도하는가?
• RQ2 계면간 힘줄이 위상적 표면 상태에서 밴드 역전을 유도하고 복잡한 다중곡면 피에르 표면 상태를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 PdTe₂ 표면의 초전도 상태는 완전히 갭이 있고 노드가 없는가? 이는 전통적인 s-파형 쌍성과 일치하는가?
• RQ4 위상적 표면 상태는 위상적 초전도성 또는 마요라나 영모드를 유도하지 않고도 전통적인 초전도성과 공존할 수 있는가?
• RQ5 PdTe₂의 표면 초전도성은 상한계 임계장과 비틀림 구조 측면에서 그 부피 초전도성과 비교하여 어떻게 다른가?

주요 결과

• PdTe₂는 Te $p$-오비탈에서의 밴드 역전이 증가한 계면간 힘줄에 의해 유도되어 복잡한 다중곡면 피에르 표면 상태를 가진 스핀 편극화된 위상적 표면 상태를 갖는다.
• 스핀-ARPES 및 DFT 계산은 표면 상태에 다수의 표면 펄스가 피에르 수준을 가로질러 존재하는 풍부한 스핀 텍스처가 있음을 확인한다.
• STM/STS 측정은 초전도 갭 크기가 Δ = 215 ± 2 μeV인 완전히 갭이 있고 노드가 없는 초전도 상태를 보여주며, 이는 BCS 이론과 일치한다.
• Δ/kBTc ≈ 1.5의 비율은 BCS 예측과 양호한 일치를 보이며 전통적인 s-파형 초전도성을 나타낸다.
• 영에너지 유한 상태나 갭 내 모드에 대한 증거는 발견되지 않았으며, 비틀림 핵이나 초전도체 피크를 사용한 경우에도 위상적 초전도성을 배제한다.
• 표면는 상한계 임계장 Hc2⊥ ≈ 20 mT와 비틀림 핵 감쇠 길이 175 ± 67 nm를 보이며, 타입-II 초전도성임을 확인하며 BCS 기대와 일치한다.