[논문 리뷰] Unconventional Superconducting Quantum Criticality in Monolayer WTe2

Tiancheng Song, Yanyu Jia외 13명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 12.

Quantum and electron transport phenomenaPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 초저온 Nernst 측정을 통해 이중층 WTe2에서 비정상적인 초전도 양자临계점(QCP)을 규명하였다. 초전도 전이 이상의 정상 상태에서 기이하게 큰 양자 플럭추에이션과 비틀림의 확산이 관찰되었으며, 자장을 제로로 유지했을 때 Nernst 계수는 약 4,100 μV/KT에 이르렀고, 임계 도핑 이하에서는 급격히 사라졌다. 이는 기존의 QPT 모델에 도전하며, 서로 다른 질서 상들 사이의 새로운 연속적인 전이를 시사한다.

ABSTRACT

The superconductor to insulator or metal transition in two dimensions (2D) provides a valuable platform for studying continuous quantum phase transitions (QPTs) and critical phenomena. Distinct theoretical models, including both fermionic and bosonic localization scenarios, have been developed, but many questions remain unsettled despite decades of research. Extending Nernst experiments down to millikelvin temperatures, we uncover anomalous quantum fluctuations and identify an unconventional superconducting quantum critical point (QCP) in a gate-tuned excitonic quantum spin Hall insulator (QSHI), the monolayer tungsten ditelluride (WTe2). The observed vortex Nernst effect reveals singular superconducting fluctuations in the resistive normal state induced by magnetic fields or temperature, even well above the transition. Near the doping-induced QCP, the Nernst signal driven by quantum fluctuations is exceptionally large in the millikelvin regime, with a coefficient of ~ 4,100 uV/KT at zero magnetic field, an indication of the proliferation of vortices. Surprisingly, the Nernst signal abruptly disappears when the doping falls below the critical value, in striking conflict with conventional expectations. This series of phenomena, which have no prior analogue, call for careful examinations of the mechanism of the QCP, including the possibility of a continuous QPT between two distinct ordered phases in the monolayer. Our experiments open a new avenue for studying unconventional QPTs and quantum critical matter.

연구 동기 및 목표

• 이중층 초전도체에서의 양자상전이, 특히 초전도체-絕縁체 또는 초전도체-금속 전이 근처의 특성을 조사하기 위해.
• 게이트 조절이 가능한 엑시티onic 양자 스핀홀 도체인 이중층 WTe2에서의 양자 임계성의 성격을 탐구하기 위해.
• 관측된 양자 플럭추에이션이 서로 다른 질서 상들 사이의 연속적인 양자상전이를 나타내는지 확인하기 위해.
• 2차원 시스템에서 비보편적 행동을 규명함으로써 기존의 양자 임계성 이론 모델에 도전하기 위해.

제안 방법

• 이역된 이중층 WTe2 장치에서 밀리켈빈 온도의 초저온 Nernst 효과 측정을 수행하기 위해.
• 게이트 전압을 적용하여 전자 도핑을 조절하고 시스템이 양자 임계점으로 이르게 하기 위해.
• 초전도 전이 온도 이상의 저항성 정상 상태에서 Nernst 신호를 측정하기 위해.
• 장거리 질서가 없는 상태에서의 양자 플럭추에이션과 비틀림의 확산을 정량화하기 위해 Nernst 계수를 분석하기 위해.
• 특히 임계 도핑 근처에서 급격히 사라지는 신호를 보이는 경우에 대해 도핑 수준 간의 Nernst 신호 행동을 비교하기 위해.
• 자기장과 온도 스윕을 통해 고전적 효과에서 양자 플럭추에이션의 기여를 분리하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중층 WTe2에서의 양자 임계점의 성격은 무엇이며, 기존의 페르미온 또는 보존자 국소화 시나리오와 부합하는가?
• RQ2 양자 플럭추에이션을 나타내는 Nernst 신호가 기대와는 반대로 임계 도핑 이하에서 급격히 사라지는 이유는 무엇인가?
• RQ3 제로 자기장에서 관측된 큰 Nernst 계수(~4,100 μV/KT)는 정상 상태에서의 비틀림 확산에 기인한 것인가?
• RQ4 관측된 기이한 행동이 서로 다른 질서 상들 사이의 연속적인 양자상전이를 나타내는가?
• RQ5 이 2차원 시스템에서 관측된 비정상적인 초전도 양자 임계성의 근본 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 이중층 WTe2에서 Nernst 신호는 밀리켈빈 영역에서 제로 자기장 조건에서 매우 큰 값인 약 4,100 μV/KT에 도달하여 강한 양자 플럭추에이션을 나타낸다.
• 이러한 플럭추에이션은 초전도 전이 온도 이상의 저항성 정상 상태에서도 지속되며, 사전 형성된 코플러 쌍 또는 비틀림 유사 진동자들이 존재함을 시사한다.
• 도핑 농도가 임계 값 이하로 떨어지면 Nernst 신호가 급격히 사라지며, 이는 기존의 양자 임계 모델과 부합하지 않는다.
• 관측된 현상은 서로 다른 질서 상들 사이의 연속적인 양자상전이를 시사하며, 현재의 이론적 프레임워크에 도전한다.
• 결과는 표준 페르미온 또는 보존자 국소화 이론로 설명되지 않는 새로운 형태의 비정상적인 초전도 양자 임계성을 시사한다.
• 이러한 발견은 강한 전자 상호작용을 갖는 이중층 시스템에서 양자 임계 물질을 연구할 수 있는 새로운 길을 열어준다.