[논문 리뷰] Proximity-Induced Superconductivity with Subgap Anomaly in Type II Weyl Semi-Metal WTe2

Qiao Li, He, Chaocheng외 17명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 15.

2D Materials and Applications인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 반데르발스 헤테로구조를 통해 NbSe2와 접합된 유형-II 와일 물질인 WTe2의 얇은 플레이크에서 접근성에 의해 유도된 초전도성을 입증한다. 이는 c축 방향으로 긴 코herence 길이와 초전도 상태에서의 정상 상태 전이 동안 비정상적인 서브갭 저항 진동을 보여주며, 이는 이론적 모델링을 통해 WTe2의 초전도 상태에서의 내재적 특성임을 확인한다. 이는 토폴로지 양자 컴퓨팅 응용 분야에서의 잠재력을 높인다.

ABSTRACT

Due to the non-trivial topological band structure in type-II Weyl semimetal Tungsten ditelluride (WTe2), unconventional properties may emerge in its superconducting phase. While realizing intrinsic superconductivity has been challenging in the type-II Weyl semimetal WTe2, proximity effect may open an avenue for the realization of superconductivity. Here, we report the observation of proximity-induced superconductivity with a long coherence length along c axis in WTe2 thin flakes based on a WTe2/NbSe2 van der Waals heterostructure. Interestingly, we also observe anomalous oscillations of the differential resistance during the transition from superconducting to normal state. Theoretical calculations show excellent agreement with experimental results, revealing that such a sub-gap anomaly is the intrinsic property of WTe2 in superconducting state induced by the proximity effect. Our findings enrich the understanding of superconducting phase of type-II Weyl semimetals, and pave the way for their future applications in topological quantum computing.

연구 동기 및 목표

• 비틀림이 없는 토폴로지 밴드 구조를 보이는 유형-II 와일 반도체 WTe2의 초전도 성질을 탐구하기 위해.
• 반데르발스 헤테로구조를 통한 접촉 효과를 활용하여 WTe2에서 내재적 초전도성을 실현하는 데 도전 과제를 극복하기 위해.
• 접촉 결합 조건에서 비정상적인 초전도 거동, 특히 서브갭 이상 현상이 WTe2에서 어떻게 나타나는지 조사하기 위해.
• 관측된 서브갭 진동과 WTe2의 초전도 상태에서의 내재 전자 구조 사이의 연관성을 설정하기 위해.
• 미래의 WTe2 기반 토폴로지 양자 컴퓨팅 응용을 위한 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 기계적 분리 및 전달 기술을 사용하여 WTe2/NbSe2 반데르발스 헤테로구조를 제작하기 위해.
• 초전도 전이를 탐색하고 서브갭 이상 현상을 감지하기 위해 WTe2 플레이크의 미분 저항을 측정하기 위해.
• 밴드 구조와 접촉 효과에 의해 유도된 초전도성을 분석하기 위해 역산형 광전자 방사측정(ARPES)과 이론적 모델링을 사용하기 위해.
• BCS 기반 이론 계산을 적용하여 접촉 효과를 시뮬레이션하고 관측된 서브갭 진동을 재현하기 위해.
• 운반 측정을 통해 c축 방향의 코herence 길이를 분석하고 이론적 예측과 비교하기 위해.
• 실험적 저항 진동을 WTe2의 전자 구조의 토폴로지적 성격과 연관지어 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WTe2 얇은 플레이크에서 NbSe2와의 반데르발스 헤테로구조를 통해 접근성에 의해 유도된 초전도성이 실현될 수 있는가?
• RQ2 WTe2에서 초전도 상태에서 정상 상태로의 전이 동안 관측된 비정상적인 서브갭 저항 진동의 성격과 기원은 무엇인가?
• RQ3 WTe2에서 c축 방향의 코herence 길이는 어떻게 비교되며, 이는 초전도 성쌍의 대칭성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 서브갭 이상 현상은 WTe2의 토폴로지 밴드 구조의 결과인지, 헤테로구조 인터페이스의 잡음에 의한 결과인지?
• RQ5 관측된 현상은 토폴로지 반도체에서의 접근성에 의해 유도된 초전도성 이론 모델로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 반데르발스 헤테로구조에서 NbSe2와의 결합을 통해 WTe2 얇은 플레이크에서 접근성에 의해 유도된 초전도성이 성공적으로 실현되었다.
• c축 방향으로 긴 코herence 길이가 관측되어 강한 초전도 성쌍과 토폴로지 초전도 가능성의 징후를 보였다.
• 초전도 상태에서 정상 상태로의 전이 동안 서브갭 영역에서 비정상적인 미분 저항 진동이 감지되었으며, 이는 일반적인 초전도체에서는 관찰되지 않는 현상이었다.
• 이론적 계산은 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보였으며, 서브갭 이상 현상이 접촉 효과에 의해 유도된 WTe2의 초전도 상태에서의 내재적 특성임을 확인했다.
• 관측된 현상은 WTe2의 비틀림이 없는 토폴로지 밴드 구조와 접촉 효과에 의해 유도된 초전도성 간의 상호작용에 기인한다.
• 이러한 발견은 WTe2가 마요라나 제로 모드를 포함할 수 있는 유망한 플랫폼이며, 토폴로지 양자 컴퓨팅 발전에 기여할 수 있음을 시사한다.