[논문 리뷰] Surface superconductivity in the topological Weyl semimetal t-PtBi$_2$

Sebastian Schimmel, Yanina Fasano외 11명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 17.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 저온에서의 표면 초전도성과 함께, 스캐닝 턄널링 현미경 및 스펙트로스코피(STM/STS)를 사용하여 상대적으로 높은 온도(5 K)에서 토폴로지적 와이울 세미메탈 t-PtBi₂에서의 표면 초전도성을 입증한다. 공간적으로 비균일한 초전도 갭이 0–20 meV 범위에서 관측되었으며, 가장 큰 갭은 토폴로지적 표면 상태에서 관측되었고, 이는 t-PtBi₂가 고임계 자기장(최대 12 T)을 포함한 기술적으로 유의미한 조건에서 내재된 토폴로지적 초전도성을 가지는 데 있어 최적의 후보임을 시사한다.

ABSTRACT

The advancement of quantum computation is eager on generating fault tolerant qubits, and topological superconductivity is a very promising concept for reaching this goal. Early experimental achievements study hybrid systems as well as doped intrinsic topological or superconducting materials presenting the phenomena at very low temperatures. However, higher critical temperatures are indispensable for technological exploitation. Promising very recent angle-resolved photoemission spectroscopy results reveal that superconductivity of the type-I Weyl semimetal trigonal PtBi$_2$ (t-PtBi$_2$) is located at the Fermi arcs surface states which renders t-PtBi$_2$ a candidate for intrinsic topological superconductivity. Here we show, using scanning tunnelling microscopy and spectroscopy (STM/STS) that t-PtBi$_2$ presents surface superconductivity at elevated temperatures (5 K). The gap magnitude is elusive: it is spatially inhomogeneous and spans from 0 to 20 meV. In particular, the large gap value and the shape of the quasiparticle excitation spectrum resemble the phenomenology of high-Tc superconductors. To our knowledge, this is the largest superconducting gap so far measured in a topological material. Moreover, we show that the superconducting state at 5 K persists up to 12 T magnetic field. Thus, we show that t-PtBi2 is a prime candidate for intrinsic topological superconductivity at technologically relevant temperatures, fields and gap magnitudes.

연구 동기 및 목표

• 토양 와이울 세미메탈 t-PtBi₂에서의 초전도성 기원과 성질을 조사한다.
• 초전도성이 내재되어 있으며, 특히 페르미 아크에 국한되어 있는지 여부를 규명한다.
• 저온에서의 초전도 갭 크기와 그 공간적 비균일성을 측정한다.
• 고자기장(최대 12 T) 조건에서 초전도 상태의 내구성을 평가한다.
• 내재된 토폴로지적 초전도성의 존재를 확인함으로써 t-PtBi₂가 토폴로지적 양자 컴퓨팅 플랫폼으로서의 잠재력을 평가한다.

제안 방법

• 원자 스케일에서 국소 전자 구조와 초전도 갭을 탐사하기 위해 저온 스캐닝 터널링 현미경 및 스펙트로스코피(STM/STS)를 활용한다.
• 특히 페르미 아크를 포함한 토폴로지적 표면 상태 기여를 분리하기 위해 t-PtBi₂ 결정의 표면 영역에 집중한다.
• 표면 전역에서의 초전도 갭 변화를 맵핑하여 0에서 20 meV까지의 비균일성을 확인한다.
• 외부 자기장을 최대 12 T까지 적용하여 임계 자기장 측정을 통해 초전도 상태의 안정성을 평가한다.
• 고임계 초전도체의 현상학과 비교하기 위해 준입자 자극 스펙트럼을 분석한다.
• 관측된 초전도 서명을 t-PtBi₂의 알려진 토폴로지적 표면 상태 구조와 연관지어 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 t-PtBi₂의 초전도성은 토폴로지적 표면 상태, 특히 페르미 아크에 국한되어 있는가?
• RQ2 5 K에서 t-PtBi₂의 초전도 갭 크기와 공간 분포는 어떻게 되는가?
• RQ3 고자기장(최대 12 T) 조건에서 t-PtBi₂의 초전도 상태는 얼마나 내구성이 있는가?
• RQ4 관측된 초전도 갭 크기와 준입자 스펙트럼은 고임계 초전도체의 특성과 유사한가?
• RQ5 t-PtBi₂는 고온 조건에서 고장내성 양자 컴퓨팅에 적합한 내재된 토폴로지적 초전도성을 갖출 수 있는가?

주요 결과

• t-PtBi₂의 초전도성은 표면 상태에 국한되어 있으며, 가장 큰 초전도 갭은 20 meV로, 현재까지 보고된 바 중에서 토폴로지적 물질에서 가장 크다.
• 초전도 갭은 표면 전역에서 0에서 20 meV까지 공간적으로 비균일하게 변화하며, 이는 쌍결합 강도의 강한 局소적 변동을 시사한다.
• 준입자 자극 스펙트럼은 고임계 초전도체의 특징을 닮아 있어 비정상적인 쌍결합 메커니즘을 시사한다.
• 초전도 상태는 최대 12 T까지 유지되며, 고자기장 응용에 적합한 강력한 쌍결합 메커니즘을 나타낸다.
• 5 K에서 관측된 표면 초전도성과 함께 토폴로지적 표면 상태의 존재는 t-PtBi₂가 내재된 토폴로지적 초전도성의 주요 후보로 위치함을 시사한다.
• 이 결과들은 t-PtBi₂가 기술적으로 유의미한 온도와 자기장 조건에서 토폴로지 큐비트를 실현하는 데 있어 매우 유망한 플랫폼임을 확립한다.