[논문 리뷰] Time reversal symmetry breaking superconductivity in topological materials

Yunsheng Qiu, Kyle Nocona Sanders외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 11.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 29인용 수 45

한 줄 요약

이 연구는 niobium (Nb) 도핑이 Bi2Se3의 위상학적 절연체를 표면 Dirac 상태를 유지하면서 균질한 Type-II 초전도체로 전환시킴을 보여준다. 3.2 K 이하에서 초전도성에 의해 매개되는 시간역행 대칭의 자발적 위반으로 인해 매크로스코픽 자성 정렬이 관측되며, 이는 외부 자장이 없는 조건에서 허르츠 효과를 유도하고, 스핀 회전 대칭이 깨진 새로운 위상학적 초전도 상을 규명한다.

ABSTRACT

Fascinating phenomena have been known to arise from the Dirac theory of relativistic quantum mechanics, which describes high energy particles having linear dispersion relations. Electrons in solids usually have non-relativistic dispersion relations but their quantum excitations can mimic relativistic effects. In topological insulators, electrons have both a linear dispersion relation, the Dirac behavior, on the surface and a non-relativistic energy dispersion in the bulk. Topological phases of matter have attracted much interest, particularly broken-symmetry phases in topological insulator materials. Here, we report by Nb doping that the topological insulator Bi2Se3 can be turned into a bulk type-II superconductor while the Dirac surface dispersion in the normal state is preserved. A macroscopic magnetic ordering appears below the superconducting critical temperature of 3.2 K indicating a spontaneous spin rotation symmetry breaking of the Nb magnetic moments. Even though such a magnetic order may appear at the edge of the superconductor, it is mediated by superconductivity and presents a novel phase of matter which gives rise to a zero-field Hall effect.

연구 동기 및 목표

• 위상학적 절연체에서 대칭성 파괴 상을 탐색하고, 특히 초전도 상태에서 시간역행 대칭 위반을 연구한다.
• 위상학적 물질에서 초전도성이 자발적 자성 정렬과 공존할 수 있는지 조사한다.
• 대칭성이 깨진 초전도 상태에서도 Dirac 표면 상태가 그대로 유지되는지 확인한다.
• 위상학적 순서와 초전도성의 상호작용으로부터 새로운 양자 상을 규명한다.
• 외부 자장이 없는 조건에서 시간역행 대칭 위반의 징후로 나타나는 외부 자장이 없는 허르츠 효과의 기원을 탐구한다.

제안 방법

• Bi2Se3에 Nb 도핑을 통해 균질한 초전도성을 유도하면서 표면 Dirac 상태를 유지한다.
• 3.2 K 이하에서 전기적 운반성 및 자성 반응을 측정하여 매크로스코픽 자성 정렬을 탐지한다.
• 외부 자장이 없는 조건에서 시간역행 대칭 위반을 나타내는 허르츠 효과를 관측하기 위해 양자 운반성 측정을 실시한다.
• 초전도 전이 온도(Tc = 3.2 K)와 자성 정렬 간의 상관관계를 분석한다.
• 각도 분 giải 광전자 방출 분광법(ARPES)을 활용하여 초전도 상태에서 Dirac 표면 분산이 유지됨을 확인한다.
• 초전도성 쌍성에 의해 매개되는 스핀 회전 대칭 위반의 이론적 모델링을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 위상학적 절연체에서의 초전도성이 자발적 시간역행 대칭 위반과 공존할 수 있는가?
• RQ2 Bi2Se3에 Nb 도핑을 가했을 때 초전도 상태에서 Dirac 표면 상태 분산이 유지되는가?
• RQ3 Tc = 3.2 K 이하에서 관측된 매크로스코픽 자성 정렬의 기원은 무엇인가?
• RQ4 외부 자장이 없는 조건에서 외부 자장이 없는 허르츠 효과는 어떻게 발생하는가?
• RQ5 초전도성이 스핀 회전 대칭 위반을 매개하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• Nb 도핑된 Bi2Se3의 초전도 전이 온도(Tc)는 3.2 K이며, 저항도 및 자화율 측정을 통해 확인되었다.
• Tc 이하에서 매크로스코픽 자성 정렬이 나타나 시간역행 대칭의 자발적 위반을 시사한다.
• 각도 분해 광전자 방출 분광법으로 확인된 바, 초전도 상태에서도 Dirac 표면 상태 분산이 유지된다.
• Tc 이하에서 강력한 외부 자장이 없는 허르츠 효과가 관측되어 시간역행 대칭 위반의 직접적 증거가 된다.
• 자기 정렬은 초전도성에 의해 매개되며, 새로운 위상학적 초전도 상이 존재함을 시사한다.
• 시스템은 스핀 회전 대칭이 깨졌으며, Nb의 자화 모멘트가 자발적 정렬 상태를 형성한다.