[논문 리뷰] Proximity effect and Ising superconductivity in superconductor/transition metal dichalcogenide heterostructures

Ryohei Wakatsuki, K. T. Law|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 17.

Graphene research and applications인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 전통적인 s파라 성질의 초전도체를 전이 금속 디칼코겐화합물(TMD)에 가까이 놓아 초전도체에 강한 이징 스핀오르빗결합(SOC)을 유도함으로써, 파울리 한계를 뛰어넘어 면내 상한 임계장 $H_{c2}$ 가 크게 향상됨을 제안한다. 면내 자장이 파울리 한계를 초과하나 $H_{c2}$ 이하일 경우, 이 이종구조는 가장자리에 강력한 메이저라나 평판대를 포함하는 노드형 토폴로지적 초전도체가 되며, 이는 토폴로지적 양자 컴퓨팅 및 초전도 스피ิน트로닉스 분야의 잠재적 응용을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Recently, it was experimentally realized that 2D superconducting transition metal dichalcogenides (TMD) such as gated MoS$_2$ and monolayer NbSe$_2$ have in-plane upper critical magnetic fields much higher than the Pauli limit. This is due to the so-called Ising spin-orbit coupling (SOC) of TMD which pins the electron spins along the out-of-plane directions and protects the Cooper pairs from in-plane magnetic fields. However, many TMD materials with extremely large Ising SOC, in the order of a few hundred meV, are not superconducting. In this work, we show that TMD materials can induce strong Ising SOC on ordinary $s$-wave superconductors through proximity effect. By solving the self-consistent gap equation of the TMD/superconductor heterostructure, we found that the $H_{c2}$ of the $s$-wave superconductor can be strongly enhanced. Importantly, when the in-plane field is larger than the Pauli limit field and weaker than $H_{c2}$, the heterostructure becomes a nodal topological superconductor which supports Majorana flat bands.

연구 동기 및 목표

• 강한 이징 SOC를 갖는 비초전도성 TMD 재료가 비례 효과를 통해 전통적인 s파라 초전도체에 견고한 초전도성을 유도할 수 있는지 탐구하기.
• 이징 SOC가 하이브리드 이종구조에서 면내 상한 임계장 $H_{c2}$ 를 파울리 한계를 뛰어넘어 어떻게 증가시키는지 조사하기.
• 이러한 이종구조가 면내 자장 하에서 토폴로지적 초전도상태와 메이저라나 제로 모드를 갖출 수 있는지 확인하기.
• 공학적 2차원 이종구조에서 고온의 토폴로지적 초전도성과 메이저라나 페르미온을 실현하기 위한 이론적 프레임워크 제공하기.

제안 방법

• 스핀에 의존하는 힘줄 항을 포함하여 $\pm K$ 점 근처의 단층 TMD에 대한 이중밴드 모델 해밀토니안 수립.
• TMD/초전도체 이종구조의 자가일관된 갭 방정식 유도하여 초전도 주기량과 $H_{c2}$ 계산.
• 시간역전대칭을 깨고 토폴로지적 위상전이를 유도하기 위해 면내 자장 $V_x$ 적용.
• 효과적 해밀토니안 이론을 사용해 TMD 층을 통합하고, 이징 SOC와 증발형 스핀이온 결합을 갖는 초전도체의 저에너지 효과적 해밀토니안 유도.
• 위상적 불변량과 대칭성 특성(예: 채널 대칭성, BDI 계열) 분석을 통해 토폴로지적 위상전이와 노드점 식별.
• 유한한 스트립 기하구조의 에너지 스펙트럼 계산을 통해 노드점들을 연결하는 메이저라나 평판대의 등장 시각화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TMD 재료에 대한 비례 결합이 전통적인 s파라 초전도체에 강한 이징 스핀오르빗결합을 유도할 수 있는가?
• RQ2 이러한 이종구조에서 면내 상한 임계장 $H_{c2}$ 는 파울리 한계를 얼마나 초과하여 향상될 수 있는가?
• RQ3 시스템이 메이저라나 평판대를 포함하는 노드형 토폴로지적 초전도상태로 전이되는 조건은 무엇인가?
• RQ4 효과적 해밀토니안과 대칭성 보호가 면내 자장 존재 하에서 메이저라나 모드를 안정화시키는 데 수행하는 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 비례 효과는 s파라 초전도체에 강한 이징 스핀오르빗결합을 유도하여, 면내 자장이 존재하더라도 견고한 초전도성을 가능하게 한다.
• s파라 초전도체의 면내 $H_{c2}$ 는 이징 SOC에 의해 유도되는 스핀 고정 메커니즘으로 인해 크게 향상되어 파울리 한계를 초과한다.
• 면내 자장이 쌍결합 갭을 초과할 경우($V_x > \Delta$), 부피 초전도 갭이 붕괴하고 에너지 스펙트럼에 노드점이 나타난다.
• 노드점들은 가장자리에 국한된 위상적으로 보호된 메이저라나 평판대에 의해 연결된다.
• 시스템은 1차원 채널 대칭성을 가지며, 알트라인드-지르나우어 분류에서 BDI 계열에 속하여 그 토폴로지적 성격을 확인한다.
• 메이저라나 평판대는 면내 증발형 스핀이온장에 의해 유도된 토폴로지적 위상전이로 인해 발생하며, 이로 인해 다수의 제로 에너지 모드가 가능해진다.