[논문 리뷰] Rotational Symmetry Breaking in a Trigonal superconductor Nb-doped Bi2Se3

Tomoya Asaba, Benjamin Lawson외 8명|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2016. 03. 13.

Iron-based superconductors research인용 수 33

한 줄 요약

이 연구는 삼각형 대칭성을 띠는 톱올로지컬 초전도체인 니오브ium 도핑된 Bi2Se3의 초전도 상태에서 회전 대칭성 붕괴에 대한 직접적인 실험적 증거를 제시한다. 토크 자성률 측정을 통해 저자들은 자화 히스테리시스 루프에서 주로 2중 대칭성이 관측되었으며, 이는 자발적인 네미틱 순서와 3중 결정 대칭성과의 강한 결합을 나타낸다. 결과는 선형 노드가 없는 비가역 초전도 상태를 지닌 이상 톱올로지컬 초전도성과 일치한다.

ABSTRACT

The search for unconventional superconductivity has been focused on materials with strong spin-orbit coupling and unique crystal lattices. Doped bismuth selenide (Bi$_2$Se$_3$) is a strong candidate given the topological insulator nature of the parent compound and its triangular lattice. The coupling between the physical properties in the superconducting state and its underlying crystal symmetry is a crucial test for unconventional superconductivity. In this paper, we report direct evidence that the superconducting magnetic response couples strongly to the underlying 3-fold crystal symmetry in the recently discovered superconductor with trigonal crystal structure, niobium (Nb)-doped bismuth selenide (Bi$_2$Se$_3$). More importantly, we observed that the magnetic response is greatly enhanced along one preferred direction spontaneously breaking the rotational symmetry. Instead of a simple 3-fold crystalline symmetry, the superconducting hysteresis loop shows dominating 2-fold and 4-fold symmetry. This observation confirms the breaking of the rotational symmetry and indicates the presence of nematic order in the superconducting ground state of Nb-doped Bi$_2$Se$_3$. Further, heat capacity measurements display an exponential decay in superconducting state and suggest that there is no line node in the superconducting gap. These observations provide strong evidence of odd-parity topological superconductivity.

연구 동기 및 목표

• Nb 도핑된 Bi2Se3에서 초전도 자기 반응과 기초가 되는 결정 대칭성 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 이 삼각형 초전도체의 초전도 상태에서 회전 대칭성이 붕괴되는지 여부를 규명하기 위해.
• 열역학적 및 자기적 이방이성을 측정하여 Nb 도핑된 Bi2Se3의 쌍정 대칭성을 탐구하기 위해.
• 토크 자성률을 비국소 초전도체에서 네미틱 초전도성을 탐지하는 민감한 탐측 수단으로 정립하기 위해.

제안 방법

• 다양한 자기장과 각도에서 Nb 도핑된 Bi2Se3의 면내 자기 이방성을 측정하기 위해 토크 자성률을 사용하였다.
• 자기력선 밀도 τ = μ₀V(M × H)를 측정하였으며, 여기서 M는 자화로, 자유 에너지의 H에 대한 도함수로부터 유도되었다.
• 초전도 히스테리시스 루프의 각도 의존성을 이용해 대칭 성분을 추출하였으며, 데이터를 A₀ + A₂φ sin(2φ - α) + A₄φ sin(4φ - β)에 맞추어 분석하였다.
• 초전도 갭의 구조를 평가하고 선형 노드를 탐지하기 위해 열용량 측정을 수행하였다.
• 정상 상태에서 Hc₂ 이상의 영역에서 제어 측정을 실시하여 반자성 순도 이방성의 기원을 분리하였다.
• 다양한 샘플(예: 샘플 E)을 분석하여 재현 가능성과 기하학적 오차의 배제를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Nb 도핑된 Bi2Se3의 초전도 상태에서 회전 대칭성이 붕괴되는가? 만약 그렇다면, 붕괴된 대칭성의 성격은 무엇인가?
• RQ2 관측된 자화 히스테리시스 루프의 이방성은 내재된 네미틱 순서에 기인한 것인가, 아니면 외재적 샘플 기하학에 기인한 것인가?
• RQ3 3중 결정 대칭성과 관측된 2중 및 4중 자기 이방성 간의 관계는 무엇인가?
• RQ4 Nb 도핑된 Bi2Se3의 초전도 갭이 열용량 측정 결과에 의해 선형 노드를 나타내는가?
• RQ5 토크 자성률은 비국소 초전도체에서 네미틱 초전도성을 신뢰할 만한 열역학적 탐측 수단으로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 초전도 히스테리시스 루프는 주로 2중 이방성을 나타내며, 이는 자발적인 회전 대칭성 붕괴와 네미틱 순서의 존재를 나타낸다.
• 네미틱 순서 매개변수(A₂φ)는 영자기장 근처에서 주요 항으로 나타나며, 상한 임계자기장(Hc₂)에 접근함에 따라 사라진다.
• 4중 대칭 성분(A₄φ)은 보조적인 성분으로서, 관측된 대칭성 붕괴가 단지 3중 결정 격자의 반사에 기인한 것이 아님을 확인한다.
• 열용량 측정 결과에서 초전도 상태에서 지수 감쇠가 관측되어 초전도 갭에 선형 노드가 존재하지 않음을 시사한다.
• 관측된 네미틱 이방성은 여러 개의 Nb 도핑된 Bi2Se3 샘플에서 재현 가능하여, 이는 초전도 상태의 내재적 성질임을 확인한다.
• 정상 상태에서 Hc₂ 이상의 영역에서 자기화율 이방성은 sin(2φ) 의존성을 보이며, 반자성 거동과 일치하여 배경 신호의 기원을 확인한다.