[논문 리뷰] LnPd$_{2}$Sn (Ln=Sc, Y, Lu) class of Heusler alloys for topological superconductivity

Peng‐Jie Guo, Jianfeng Zhang외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 15.

Heusler alloys: electronic and magnetic properties인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 LnPd₂Sn (Ln=Sc, Y, Lu) 헤우슬러 합금이 비정상적인 표면 상태가 금속 레벨을 가로지르고 부피 초전도성임을 바탕으로 내재된 토폴로지적 초전도체임을 제안한다. 최초 원리 계산과 대칭성 분석을 통해 표면에서 유도된 초전도성이 마요라나 영모드를 수용할 수 있음을 입증하며, 이들 화합물은 복잡한 이종구조나 도핑 없이도 토폴로지 양자 계산의 유망한 플랫폼이 된다.

ABSTRACT

Based on the first-principles electronic structure calculations and the symmetry analysis, we predict that the topological superconductivity may occur on the surface of the LnPd$_{2}$Sn (Ln=Sc, Y, Lu) class of Heusler alloys. The calculated electronic band structure and topological invariant demonstrate that the LnPd$_{2}$Sn family is topologically nontrivial. The further slab calculations show that the nontrivial topological surface states of LnPd$_{2}$Sn exist within the bulk band gap and meanwhile they cross the Fermi level. Considering that the LnPd$_{2}$Sn class of compounds were all found experimentally to be superconducting at low temperature, the surface topological superconductivity is likely to be generated via the proximity effect. Thus the LnPd$_{2}$Sn class of compounds shall be a promising platform for exploring novel topological superconductivity and handling Majorana zero modes.

연구 동기 및 목표

• 도핑이나 인공적 이종구조 없이 내재된 단일 화합물에서 토폴로지적 초전도성을 갖는 물질을 식별하는 것.
• 티아/스케일 이종구조에서 흔히 발생하는 불순물과 계면 효과를 피하여 강력한 마요라나 영모드를 실현하는 데 도전하는 것.
• LnPd₂Sn (Ln=Sc, Y, Lu)가 내재된 토폴로지적 초전도성의 네 가지 기준을 모두 충족함을 입증하는 것: 곡선형 금속 레벨을 가로지르는 토폴로지적 절연체 행동, s파르 초전도성, 고립된 비정상 표면 상태, 금속 레벨을 가로지르는 표면 상태.
• 이 물질들이 실험적 탐색을 위한 토폴로지적 초전도성과 마요라나 영모드의 실현 가능 플랫폼으로서 타당한지 확립하는 것.

제안 방법

• VASP 소프트웨어를 사용한 프rojector augmented wave (PAW) 방법 기반 최초 원리 전자 구조 계산을 수행하였다.
• 교환-상관 함수로 일반화된 경계 조건 근사(GGA-PBE)를 적용하고 계산에 스핀-오비탈 결합(SOC)을 포함하였다.
• 힘 값이 0.01 eV/Å 이하가 되도록 완전한 구조 최적화를 수행하여 평형 격자 상수와 원자 위치를 확보하였다.
• 브릴루앙 영역 샘플링을 위해 10×10×10 k점 메쉬를 사용하고, 금속 레벨 해상도 확보를 위해 가우시안 스메어링(0.05 eV)을 적용하였다.
• 20 Å의 진공을 포함한 58원자 슬립을 구성하여 (001) 표면을 시뮬레이션하고 토폴로지적 표면 상태를 분석하였다.
• 토폴로지 불변량을 계산하고, 투사된 부피 밴드 구조와 표면 상태 분산을 이용해 대칭성으로 보호된 표면 상태를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LnPd₂Sn (Ln=Sc, Y, Lu) 헤우슬러 합금은 금속 레벨을 가로지르고 부피 상태와 분리된 비정상적인 토폴로지적 표면 상태를 갖는가?
• RQ2 이 화합물들은 낮은 온도에서 내재된 s파르 초전도성을 나타내며, 유도된 토폴로지적 초전도성을 가능하게 하는가?
• RQ3 입체 대칭성 덕분에 여러 결정학적 표면에서 강력하고 관측 가능한 토폴로지적 표면 초전도성이 유지되는가?
• RQ4 이 물질들은 도핑된 토폴로지 절연체나 TI/SC 이종구조의 대안으로 마요라나 영모드를 수용하는 데 실현 가능한가?
• RQ5 금속 레벨 근처의 높은 상태 밀도가 이 시스템에서 초전도성 형성에 기여하는 역할은 무엇인가?

주요 결과

• LnPd₂Sn (Ln=Sc, Y, Lu) 계열은 시간역전 대칭으로 보호되는 비정상적인 토폴로지적 표면 상태를 나타내며, 이 상태는 금속 레벨을 가로지른다.
• 이 표면 상태는 슬립 계산과 표면 상태 매핑을 통해 부피 상태와 분리되어 있으며, 부피 밴드 구조에 융합되지 않는다.
• ScPd₂Sn, YPd₂Sn, LuPd₂Sn 세 화합물 모두 실험적으로 초전도성을 확인하였으며, 각각 임계 온도(Tc) 값은 2.25 K, 4.9 K, 3.05 K이다.
• Lu, Pd, Sn 원자가 동일하게 기여하는 금속 레벨 근처의 높은 상태 밀도는 초전도성 쌍성과 함께 유도된 토폴로지적 초전도성을 지원한다.
• 입체 대칭 덕분에 (100), (010), (001) 표면 모두가 동일한 비정상적인 토폴로지적 표면 상태를 갖으며, ARPES를 통한 다방향 실험적 탐색이 가능하다.
• 이 시스템은 이종구조의 불순물과 계면 문제를 피하며, 접촉 효과를 통해 마요라나 영모드를 안정적으로 수용할 수 있는 견고한 플랫폼을 제공한다.