[논문 리뷰] Magic angles and current-induced topology in twisted nodal superconductors

Pavel A. Volkov, Justin H. Wilson외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 14.

Topological Materials and Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 노멀 슈퍼도체의 비틀린 이중층을 연구하며, 비틀기와 외부 제어(전류, 자장, 전압)가 준입자 스펙트럼을 조절할 수 있음을 보여준다. 상하층 간 전류를 인가하면 양자화된 열 홀 효과와 금속성 모서리 모드를 가진 위상수학적 슈퍼도체 상태가 발생하며, 마법의 각도 근처에서는 시간역전대칭을 위반하는 슈퍼도체 상태가 나타난다.

ABSTRACT

Motivated by the recent achievements in the realization of strongly correlated and topological phases in twisted van der Waals heterostructures, we study the low-energy properties of a twisted bilayer of nodal superconductors. It is demonstrated that the spectrum of the superconducting Dirac quasiparticles close to the gap nodes is strongly renormalized by twisting and can be controlled with magnetic fields, current, or interlayer voltage. In particular, the application of an interlayer current transforms the system into a topological superconductor, opening a topological gap and resulting in a quantized thermal Hall effect with gapless, neutral edge modes. Close to the magic angle, where the Dirac velocity of the quasiparticles is found to vanish, a correlated superconducting state breaking time-reversal symmetry is shown to emerge. Estimates for a number of superconducting materials, such as cuprate, heavy fermion, and organic nodal superconductors, show that twisted bilayers of nodal superconductors can be readily realized with current experimental techniques.

연구 동기 및 목표

• 비틀린 이중층 노멀 슈퍼도체의 저에너지 전자적 성질을 탐구하기 위해.
• 비틀기가 갭 노드 근처 디라크 준입자 스펙트럼에 어떻게 영향을 미치는지 이해하기 위해.
• 외부 제어(전류, 자기장, 전압) 조건 하에서 위상수학적 슈퍼도체성의 발생을 조사하기 위해.
• 특히 마법의 각도 근처에서 시간역전대칭을 위반하는 슈퍼도체 상태가 나타나는 조건을 규명하기 위해.
• 현재 실험 기술로 알려진 슈퍼도체 물질에서 이러한 상을 실현할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 연속체 접근법을 사용하여 비틀린 노멀 슈퍼도체의 저에너지 효과적 해밀토니안을 모델링하기 위해.
• 비틀기 조건 하에서 준입자 스펙트럼을 분석하며, 디라크 속도와 갭 구조의 재규합을 고려하기 위해.
• 상하층 간 외부 전류를 인가하여 위상수학적 전이를 유도하기 위해.
• 대칭성과 위상수학적 불변량 계산을 통해 위상수학적 갭의 발생을 식별하기 위해.
• 중성 모서리 모드의 존재를 탐지하기 위해 열 홀 전도도를 평가하기 위해.
• 관측 가능한 효과를 위한 임계 매개변수(예: 비틀기 각도, 전류 밀도)를 실재 물질에서 추정하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비틀기는 노멀 슈퍼도체에서 디라크 준입자 스펙트럼에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 상하층 간 전류가 양자화된 열 홀 반응을 가진 위상수학적 슈퍼도체 상태를 유도할 수 있는가?
• RQ3 마법의 각도는 관련된 시간역전대칭 위반 슈퍼도체 상태를 안정화하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 실재 물질에서 이러한 위상수학적 상을 실현하기 위한 실험적으로 접근 가능한 조건은 무엇인가?
• RQ5 자기장과 상하층 간 전압은 위상수학적 및 슈퍼도체 성질을 더욱 어떻게 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 상하층 간 전류는 밀도가 높은 부스러기와 금속성 중성 모서리 모드를 가진 위상수학적 슈퍼도체 상태를 유도한다.
• 시스템은 양자화된 열 홀 전도도를 나타내며, 이는 위상수학적 순서의 존재를 시사한다.
• 마법의 각도 근처에서는 준입자의 디라크 속도가 사라지며, 강하게 상관된 슈퍼도체 상태로 이어진다.
• 마법의 각도 근처의 관련 상태에서 시간역전대칭이 위반되며, 위상수학적 불변량에 의해 뒷받침된다.
• 이론적 추정에 따르면, 구리산염, 무거운 페르미온, 유기 노멀 슈퍼도체의 비틀린 이중층은 현재 기술로 실험적으로 실현 가능하다.
• 준입자 스펙트럼은 자기장, 전류 또는 상하층 간 전압에 의해 매우 조절 가능하며, 이는 위상수학적 및 슈퍼도체 성질의 동적 제어를 가능하게 한다.