[논문 리뷰] High-$T_c$ Superconductor Fe(Se,Te) Monolayer: an Intrinsic, Scalable and Electrically-tunable Majorana Platform

Xianxin Wu, Xin Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 25.

Iron-based superconductors research인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 이방성 자기적 비대칭성과 위상적 밴드 역전 현상으로 인해 고온 초전도체 Fe(Se,Te) 계면에서 면내 자기장과 국소 전기적 게이팅을 이용해 고차원 위상적 초전도체 상을 유도함으로써, 이종구조 없이 내재적이고 스케일러블하며 전기적으로 조절 가능한 마조르카 제로 모드(MZMs) 플랫폼을 제안한다. 핵심 결과는 시간역전 대칭을 깨뜨리는 면내 자기장에 의해, 모서리, 화학적 피드백 영역의 경계선, 삼중접합에서 안정적인 MZMs가 구현된 것으로, 이는 위상적 밴드 역전에서 기인한 내재적 자기적 이방성에 의해 가능해진다.

ABSTRACT

A monolayer of the high-$T_c$ superconductor FeTe$_{1-x}$Se$_x$ has been predicted to realize a topologically non-trivial state with helical edge modes at its boundary, providing a novel intrinsic system to search for topological superconductivity and Majorana zero modes. Evidence in favor of a topological phase transition and helical edge modes has been identified in recent experiments \cite{Peng2019}. We propose to create Majorana zero modes by applying an in-plane magnetic field to the FeTe$_{1-x}$Se$_x$ monolayer and by tuning the local chemical potential via electric gating. Owing to the anisotropic magnetic couplings on edges from a topological band inversion, an in-plane magnetic field drives the system into an intrinsic high-order topological superconductor phase with Majorana corner modes, without fabricating heterostructures. Furthermore, we demonstrate that Majorana zero modes can occur at other different locations, including the domain wall of chemical potentials at one edge and certain type of tri-junction in the 2D bulk. Our study not only demonstrates FeTe$_{1-x}$Se$_x$ monolayer as a promising Majorana platform with scalability and electrical tunability and within reach of contemporary experimental capability, but also provides a general principle to search for realistic realization of high-order topological superconductivity.

연구 동기 및 목표

• 이종구조나 복잡한 인터페이스 없이 고온 초전도체에서 마조르카 제로 모드(MZMs)를 안정적으로 실현할 수 있는 내재적 플랫폼을 규명하는 것.
• 근접 효과 기반 및 저온 작동에 의존하는 기존 MZM 플랫폼의 한계를 극복하는 것.
• 이중 게이팅을 통한 국소 화학적 피드백 조절을 통해 MZMs의 전기적 조절성을 입증하는 것.
• 자기적 이방성과 밴드 역전을 통해 Fe(Se,Te) 계면에서 고차원 위상적 초전도체 성질을 탐구하는 것.
• 다른 물질들에서도 고차원 위상적 초전도체 성질을 실현하기 위한 일반 원칙을 수립하는 것.

제안 방법

• 스핀 오비탈 결합을 포함한 오비탈 다섯 개인 격자 모형을 사용하여 Fe(Se,Te) 계면의 거동를 기술하고, 위상적 양자 스핀 홀 상태에서 기인한 밴드 역전 효과를 반영한다.
• 면내 자기장을 적용하여 시간역전 대칭을 깨뜨리고, 마조르카 모서리 모드를 포함한 고차원 위상적 초전도체 상을 유도한다.
• 국소 전기적 게이팅을 통해 화학적 피드백을 조절하여 가장자리 및 영역 경계에서 MZMs 형성 조건을 제어한다.
• 이중 게이팅 구조를 통해 비대칭 잠재 에너지를 유도하고, 양자 스핀 홀 상태와 일반 절연체 상태 사이의 2차원 위상 전이를 유도한다.
• 이론적 분석으로는 밴드 구조 계산과 위상적 불변량 계산을 수행하여 다양한 구성에서 MZMs 존재 여부를 확인한다.
• Se/Te $p_z$ 오비탈을 포함한 와너-함수 기반의 격자 모형을 사용하여 전기적 게이팅 하에서의 밴드 역전를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이종구조나 복잡한 인터페이스 없이 Fe(Se,Te) 계면에서 내재적 마조르카 제로 모드를 실현할 수 있는가?
• RQ2 면내 자기장은 어떻게 고차원 위상적 초전도체 성질을 유도하고 마조르카 모서리 모드를 안정화하는가?
• RQ3 국소 전기적 게이팅을 통해 화학적 피드백 영역 경계에서 위상적 및 일반 절연체 상태 사이를 조절할 수 있으며, 이로 인해 MZMs를 형성할 수 있는가?
• RQ4 s-파iring 초전도체 성질 하에서 위상적 밴드 역전에 기인한 자기적 이방성은 MZMs 안정화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 MZMs는 모서리 뿐 아니라 전기적으로 유도된 위상 전이를 통해 2차원 배경의 삼중접합에서도 실현될 수 있는가?

주요 결과

• 면내 자기장을 적용할 경우 Fe(Se,Te) 계면는 내재적 고차원 위상적 초전도체 성질을 가지며, 수직 가장자리에서 안정적인 마조르카 모서리 모드를 형성한다.
• 자기적 이방성과 국소 게이팅에 의해 한쪽 가장자리의 화학적 피드백 영역 경계에서 마조르카 제로 모드가 안정화된다.
• 이중 게이팅에 의한 전기적 조절을 통해 양자 스핀 홀 상태와 일반 절연체 상태 사이의 2차원 위상 전이가 발생하고, 이로 인해 삼중접합에서 MZMs가 형성된다.
• 밴드 역전 현상은 전기적 게이팅에 의해 발생하는 비대칭 잠재 에너지로 인한 반대 대칭성 파괴에 기인하며, 와너 오비탈 투영을 통해 확인된다.
• 40 K의 임계 온도와 약 45 T의 고차원 상한 자기장은 현재 기술로 실험적으로 접근 가능한 수준이다.
• 이 메커니즘은 일반화 가능하다: 위상적 밴드에서의 자기적 이방성은 다른 물질들에서도 s-파iring 초전도체 성질을 가진 고차원 위상적 초전도체 성질을 유도할 수 있다.