[논문 리뷰] Two-Dimensional Time-Reversal-Invariant Topological Superconductivity in Tin Films

Jing Wang, Yong Xu외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 18.

Topological Materials and Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 오비탈 모델을 사용하여 도핑된 SnX 필름에서 두 차원의 시간역전대칭 보존(topological superconductivity)을 제안하며, 내오비탈 상호작용이 외오비탈 상호작용보다 강할 경우, 강건한 표면 마요라나 모드를 가진 위상적으로 비자명한 초전도 상태가 유도됨을 보여준다. 주요 결과는 시간역전대칭과 스핀오비탈 결합에 의해 보호되는 위상적으로 비자명한 초전도 상태를 실현한 것으로, 조절 가능한 얇은 필름 시스템에서 마요라나 페르미온을 위한 플랫폼을 제공한다.

ABSTRACT

Time-reversal-invariant topological superconductors have a full paring gap in the bulk and gapless Majorana states at the edge or on the surface. Here, we theoretically propose topological superconductivity in a doped quantum spin Hall insulator. We study the pairing symmetry of doped Sn$X$ film within a two-orbital model, and show that it realizes a topological superconductor when the intraorbital attractive interaction is stronger than the interorbital interaction, which is generic for a doped quantum spin Hall insulator with strong spin-orbit coupling. Edge channels are studied in a tight-binding model numerically. Finally, we discuss the possible topological superconductivity in Sn$X$ film by comparing to $3d$ superconductivity in bulk Sn.

연구 동기 및 목표

• 도핑된 SnX 필름이 위상 초전도성을 나타내는 조건을 규명하는 것.
• 강한 스핀오비탈 결합을 가진 두 오비탈 모델에서의 쌍성 대칭 및 위상 전이를 이해하는 것.
• 시간역전대칭에 의해 보호되는 비가역 표면 상태의 발생을 조사하는 것.
• SnX 필름에서 제안된 2차원 위상 초전도성과 주철 3d 초전도성 간의 비교.
• 두께가 얇고 시간역전대칭을 보존하는 초전도체에서 마요라나 페르미온을 실현하기 위한 이론적 프레임워크 수립

제안 방법

• 스핀오비탈 결합을 포함하여 도핑된 SnX 필름의 전자 구조를 기술하기 위해 이중 오비탈 격자 모형을 수립한다.
• 내오비탈 및 외오비탈의 별도의 인력 상호작용을 모델링하여 상호작용 강도의 상대적 크기를 직접 비교할 수 있도록 한다.
• 위상적 불변량을 Nambu Green의 함수의 Pfaffian을 사용하여 평가하여 위상 초전도 상태를 식별한다.
• 불순물에 대한 저항성 분석을 위해 격자 해밀토니안의 수치적 대각화를 수행한다.
• 내오비탈 및 외오비탈 쌍성 상호작용 강도에 따른 위상도를 그려 위상 영역을 규명한다.
• 결과를 주철 3d 초전도성과 비교하여 2차원 플랫폼의 실현 가능성과 독창성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 스핀오비탈 결합을 가진 도핑된 SnX 필름이 시간역전대칭 보존 위상 초전도체가 되는 조건은 무엇인가?
• RQ2 내오비탈 대비 외오비탈 쌍성 상호작용 강도의 상대적 크기가 위상 영역에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ3 제안된 위상 초전도 상태에서 표면 상태의 성격은 무엇인가?
• RQ4 SnX 필름에서의 2차원 위상 초전도성은 주철의 부피 3d 초전도성과 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ5 시간역전대칭이 이 시스템에서 위상 초전도 상태를 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 내오비탈 인력 상호작용이 외오비탈 상호작용보다 강할 경우 시스템은 위상 초전도 상태를 실현하며, 이는 도핑된 양자 스핀홀 인산체에서 자연스럽게 만족된다.
• 위상 영역는 밀도에서 전체 쌍성 갭과 시간역전대칭에 의해 보호되는 강건한 비가역 마요라나 표면 모드를 특징으로 한다.
• 수치 시뮬레이션은 반대 방향으로 진행되는 두 개의 마요라나 표면 채널이 존재하며, 이들은 스핀-운동량 고정이 반대 방향으로 이루어짐을 확인한다.
• 위상 불변량 계산 결과 비자명한 Z2 지수를 확인하여 위상적으로 비자명한 초전도 상태임을 입증한다.
• 제안된 SnX 필름의 2차원 위상 초전도성은 주철의 부피 3d 초전도성과 다름을 보이며, 더 조절 가능하고 접근 가능한 플랫폼을 제공한다.
• 지역적 불순물에 대해서도 표면 모드가 강건하게 유지됨을 확인하여 고장 내성 양자 계산 응용 가능성을 시사한다.