[논문 리뷰] Tunneling spectroscopy of few-monolayer NbSe$_2$ in high magnetic field: Ising protection and triplet superconductivity

Marko Kuzmanović, Tom Dvir외 11명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 01.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 소수의 단층으로 이루어진 NbSe₂에서 고자기장 턨널 스펙트로스코피를 사용하여 파울리 한계를 초월하는 강력한 초전도성을 입증하였으며, 이는 아이징 보호와 등등장 삼중성 초전도성의 기여로 기인한다. 데이터는 이중층 NbSe₂에서 자기장에 따라 변화하는 초전도 갭이 30 T까지 지속됨을 보여주며, 이는 표준 아이징 이론과 부합하지 않지만, 면내 자기장에 의해 삼중성 순서 매개변수와 연결된 등등장 삼중성 초전도성(ESTS)을 포함하는 모델에 의해 잘 설명된다.

ABSTRACT

In conventional Bardeen-Cooper-Scrieffer (BCS) superconductors, Cooper pairs of electrons of opposite spin (i.e. singlet structure) form the ground state. Equal spin triplet pairs (ESTPs), as in superfluid $^3$He, are of great interest for superconducting spintronics and topological superconductivity, yet remain elusive. Recently, odd-parity ESTPs were predicted to arise in (few-)monolayer superconducting NbSe$_2$, from the non-colinearity between the out-of-plane Ising spin-orbit field (due to the lack of inversion symmetry in monolayer NbSe$_2$) and an applied in-plane magnetic field. These ESTPs couple to the singlet order parameter at finite field. Using van der Waals tunnel junctions, we perform spectroscopy of superconducting NbSe$_2$ flakes, of 2--25 monolayer thickness, measuring the quasiparticle density of states (DOS) as a function of applied in-plane magnetic field up to 33T. In flakes $\lesssim$ 15 monolayers thick the DOS has a single superconducting gap. In these thin samples, the magnetic field acts primarily on the spin (vs orbital) degree of freedom of the electrons, and superconductivity is further protected by the Ising field. The superconducting energy gap, extracted from our tunnelling spectra, decreases as a function of the applied magnetic field. However, in bilayer NbSe$_2$, close to the critical field (up to 30T, much larger than the Pauli limit), superconductivity appears to be more robust than expected from Ising protection alone. Our data can be explained by the above-mentioned ESTPs.

연구 동기 및 목표

• 고면내 자기장 하에서 소수층 NbSe₂에서 증가된 초전도 임계 자기장의 기원을 조사하기 위해.
• 아이징 스핀오비트 결합과 등등장 삼중성 쌍성(pairing)이 관측된 파울리 한계를 초월하는 강건성의 원인을 설명할 수 있는지 확인하기 위해.
• 싱เก트론 초전도성과 아이징 보호의 조합과, 내재된 ESTS 순서 매개변수를 포함하는 시나리오 사이의 차이를 구분하기 위해.
• 터널 스펙트로스코피 데이터를 33 T까지 분석하여 스핀오비트 결합과 삼중성 쌍성의 역할을 정량적으로 평가하기 위해.
• 이론 모델의 아이징 보호와 아브리코소프-고르코프 유형의 억제 메커니즘을 실험 데이터와 비교하여 검증하기 위해.

제안 방법

• 두께가 2–25 단층인 기계적 분리된 NbSe₂ 플레이크에 바르-바닥 터널 접합을 제작하였다.
• 최대 33 T의 자기장에서 터널 스펙트로스코피를 통해 준입자 상태밀도(DOS) 측정을 수행하였다.
• 면내 자기장을 적용하여 스핀오비트 결합과 초전도성 간의 상호작용을 탐색하였다.
• 측정된 DOS를 피팅하여 자기장에 따른 초전도 갭을 추출하고, 아이징 모델과 ESTS 모델을 비교하였다.
• 아이징 보호, 아브리코소프-고르코프 이론, 아이징+ESTS 결합을 포함한 이론 모델을 사용하여 데이터를 해석하였다.
• 모델 피팅에 대해 불순물과 밴드 간 산란 효과를 고려하였으며, 오차 막대는 피팅의 통계적 분석에서 유도되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고면내 자기장 하에서 소수층 NbSe₂에서 관측된 초전도 갭 감소 현상을 아이징 보호만으로 설명할 수 있는가?
• RQ2 이중층 NbSe₂에서 파울리 한계를 초월해 지속되는 초전도성은 등등장 삼중성 쌍성의 존재를 시사하는가?
• RQ3 순서 매개변수에 등등장 삼중성 성분을 포함할 경우, 표준 아이징 이론 대비 실험적 터널 스펙트럼에 대한 피팅 품질은 어떻게 향상되는가?
• RQ4 스핀오비트 결합 강도와 밴드 간 산란이 임계 자기장 행동을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 관측된 갭의 자기장 의존성이 면내 자기장에 의해 삼중성-싱게트론 결합을 포함하는 미세한 메커니즘과 일치하는가?

주요 결과

• 15 단층 이하 두께의 플레이크에서는 준입자 상태밀도가 단일 초전도 갭을 보이며, 면내 자기장이 증가함에 따라 감소한다.
• 이중층 NbSe₂에서의 초전도 갭은 약 30 T까지 지속되며, 이는 파울리 한계를 크게 초월하여 표준 아이징 보호를 넘어서는 강건성을 시사한다.
• 순수한 아이징 이론이나 아브리코소프-고르코프 모델은 데이터와 부합하지 않으며, 특히 '선형' 중간 자기장 영역에서의 거동을 재현하지 못한다.
• 데이터에 대한 최적의 피팅은 아이징 보호와 동시에 순서 매개변수의 등등장 삼중성 성분을 포함한 모델에서 달성되었으며, 이중층에서 $E_{SO} = 9.62T_{cs}$ 이고 $T_{ct} = 0.05T_{cs}$ 로 추정된다.
• 추출된 스핀오비트 결합 에너지 $E_{SO}$ 는 ARPES 측정 결과와 일치하며, 이중층 NbSe₂($T_{cs} = 2.6$ K)의 경우 $E_{SO} \rightarrow 14.45T_{cs}$ 로 추정되며, 6단층의 경우 $E_{SO} = 2.21T_{cs}$ ($T_{cs} = 5.4$ K) 로 추정된다.
• 단순한 싱게트론 쌍성과 K/K’–Γ 결합만 포함한 이론 모델은 데이터를 피팅하지 못하며, 정량적 기술을 위해 삼중성 쌍성의 포함이 필수적임을 강화한다.