[논문 리뷰] Observation and characterization of the zero energy conductance peak in the vortex core state of FeTe$_{0.55}$Se$_{0.45}$

Xiaoyu Chen, Mingyang Chen외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 04.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 20인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 턧널링 현미경/스펙트로스코피(STM/STS)를 사용하여 FeTe₀.₅₅Se₀.₄₅의 비틀림 핵에서 0 에너지 전도도 피크(ZBCPs)의 존재를 확인하였으며, 이는 잠재적인 마요라나 0 모드를 시사한다. ZBCPs는 낮은 온도(약 4 K 이하)에서 강건하며, 고립된 비틀림에서 자기장이 6 T까지 적용되어도 유지되며, 반경 방향 거리에 따라 분리되지 않아, 전통적인 Caroli-de Gennes-Matricon 상태와는 다름을 보이며, 위상적 기원을 지지한다.

ABSTRACT

The search for the Majorana fermions in condensed matter physics has attracted much attention, partially because they may be used for the fault-tolerant quantum computation. It has been predicted that the Majorana zero mode may exist in the vortex core of topological superconductors. Recently, many iron-based superconductors are claimed to exhibit a topologically nontrivial surface state, including Fe(Te,Se). Some previous experiments through scanning tunneling microscopy (STM) have found zero-bias conductance peaks (ZBCP) within the vortex cores of Fe(Te,Se). However, our early experimental results have revealed the Caroli-de Gennes-Matricon (CdGM) discrete quantum levels in about 20% vortices. In many other vortices, we observed a dominant peak locating near zero bias. Here we show further study on the vortex core state of many more vortices in FeTe$_{0.55}$Se$_{0.45}$. In some vortices, if we take a certain criterion of bias voltage window near zero energy, we indeed see a zero energy mode. Some vortices exhibit zero energy bound state peaks with relatively symmetric background, which cannot be interpreted as the CdGM discrete states. The probability for vortices showing the ZBCP lowers down with the increase of magnetic field. Meanwhile it seems that the presence and absence of the ZBCP has no clear relationship with the Te/Se ratio on the surface. Temperature dependence of the spectra reveals that the ZBCP becomes weakened with increasing temperature and disappears at about 4 K. Our results provide a confirmed supplementary to the early claimed zero energy modes within the vortex cores of Fe(Te,Se). Detailed characterization of these zero energy modes versus magnetic field, temperature and spatial distribution of Te/Se will help to clarify its origin.

연구 동기 및 목표

• FeTe₀.₅₅Se₀.₄₅ 비틀림 핵에서 관측된 0 편향 전도도 피크(ZBCPs)의 기원을 조사하여, 전통적인 Caroli-de Gennes-Matricon(CdGM) 상태와 위상적 마요라나 0 모드를 구별한다.
• ZBCPs가 물질의 위상적 초전도 상태의 본질적인 특성인지, 국소적 불순물, 자기장 또는 표면 조성에 의해 영향을 받는지 확인한다.
• ZBCPs의 온도 및 자기장 의존성을 검토하여 안정성과 고장 내성 양자 계산 잠재력 평가한다.
• Fe(Te,Se)에서 위상적 표면 상태에 대한 이론 예측을 고려하여 국소적 Te/Se 표면 조성의 ZBCPs 발생에 미치는 역할을 평가한다.

제안 방법

• FeTe₀.₅₅Se₀.₄₅의 비틀림 핵 내 국소적 상태 밀도를 측정하기 위해 약 0.4 K에서 스캐닝 터널링 스펙트로스코피(STS)를 수행하였다.
• 비틀림 핵 상태는 차분 전도도(dI/dV) 스펙트럼을 분석하여 분석하였으며, 0 편향 피크의 존재 및 형태에 초점을 맞추었다.
• 열 브로드닝과 고온에서의 스펙트럼 혼합를 고려하여 ZBCPs를 정의하기 위해 ±0.1 meV의 편향 창을 사용하였다.
• 자기장 의존성은 ZBCPs의 안정성 평가를 위해 최대 6 T까지 연구하였다.
• 온도 의존성 측정은 0.4 K에서 4 K까지 수행되어 ZBCP의 열적 취약성 평가를 위해 수행되었다.
• 국소적 표면 조성(Se/Te 비율)은 STM 표면도를 통해 분석되었으며, ZBCPs 발생과 연관되었지만, 직접적인 상관관계는 발견되지 않았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FeTe₀.₅₅Se₀.₄₅ 비틀림에서 관측된 0 편향 전도도 피크(ZBCPs)는 전통적인 Caroli-de Gennes-Matricon(CdGM) 상태가 아니라 마요라나 0 모드를 나타내는가?
• RQ2 자기장 강도가 ZBCPs를 보이는 비틀림의 비율에 미치는 영향은 무엇이며, 이 억제 현상은 위상적 기원을 지지하는가?
• RQ3 ZBCP의 온도 의존성은 무엇이며, 약 4 K에서의 소실은 마요라나 모드에 해당하는 열적 취약성과 일치하는가?
• RQ4 국소적 Te/Se 표면 조성과 비틀림 핵에서 ZBCPs의 존재 사이에 상관관계가 있는가?

주요 결과

• FeTe₀.₅₅Se₀.₄₅에서 일부 비틀림은 대칭적인 배경을 가진 주요 0 편향 전도도 피크(ZBCP)를 나타내며, 이는 이산적인 CdGM 상태와 불일치하며, 마요라나 0 모드를 암시한다.
• 비틀림 핵 중심에서 반경 방향으로 이동할 때 ZBCP는 분리되지 않으며, 이는 고역장량 수치가 높아질수록 다수의 피크로 분리되는 전통적인 CdGM 상태와는 다름을 보여준다.
• ZBCP는 열적으로 취약하여 2.5 K에서 현저히 약화되고 약 4 K에서 완전히 사라지며, 열 진동에 매우 민감함을 나타낸다.
• ZBCPs를 보이는 비틀림의 비율은 자기장 증가에 따라 감소하며, 4 T를 초과하면 급격히 감소하지만, 일부 경우에서 6 T에서도 고립된 ZBCPs가 유지된다.
• 국소적 Te/Se 표면 조성과 ZBCPs의 존재 또는 부재 사이에 명확한 상관관계는 발견되지 않아, ZBCP가 표면 스토이히오메트리에 직접적으로 지배되지 않는다는 것을 시사한다.
• 6 T에서 세 개의 인접한 비틀림이 모두 ZBCPs를 나타내는 것으로 관측되어, 국소적 비틀림 배열과 잠재적 마요라나 하이브리드화가 관측된 통계에 영향을 줄 수 있음을 시사한다.