[논문 리뷰] Unconventional superconductivity in CuxBi2Se3

T. Kirzhner, E. Lahoud외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 24.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 13인용 수 39

한 줄 요약

이 연구는 고순도 Cu₀.₂Bi₂Se₃ 단일결정에서 점접촉 스펙트로스코피를 이용해 비정상 초전도성의 특성을 조사한다. 세 가지의 구분되는 스펙트럼이 관측되었으며, 각각 0.6 mV의 갭을 가진 안드레에프 반사, Tc (~10 K) 이상에서도 지속되는 큰 갭 특성, 그리고 0 mV에서의 전도도 피크(ZBCP)와 2 meV의 큰 갭(2Δ/kBTc ≈ 14)을 가지는 터널링 유사 스펙트럼이다. ZBCP와 큰 갭은 메이저라나 페르미온을 수반할 수 있는 위상적 초전도성의 가능성을 시사하지만, 이중 채널 모델도 배제할 수 없다.

ABSTRACT

We report point contact measurements in high quality single crystals of Cu0.2Bi2Se3. We observe three different kinds of spectra: (1) Andreev-reflection spectra, from which we infer a superconducting gap size of 0.6mV; (2) spectra with a large gap which closes above Tc at about 10K; and (3) tunneling-like spectra with zero-bias conductance peaks. These tunneling spectra show a very large gap of ~2meV (2Delta/KTc ~ 14).

연구 동기 및 목표

• 초전도성 Cu₀.₂Bi₂Se₃ 단일결정의 쌍대 대칭성과 위상적 성질을 탐색하기 위해.
• Cu₀.₂Bi₂Se₃가 위상적 초전도체 행동과 일치하는 비정상 초전도성을 나타내는지 확인하기 위해.
• 점접촉 측정에서 관측된 0 mV에서의 전도도 피크(ZBCP)와 큰 초전도 갭의 기원을 조사하기 위해.
• 이 시스템에서 표면 안드레에프 유도 상태를 통해 메이저라나 페르미온을 수용할 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• 고품질의 Cu₀.₂Bi₂Se₃ 단일결정의 깨진 (001) 표면에 금속 Au 피크를 사용해 점접촉 스펙트로스코피를 수행하였다.
• 1.8 K에서 4점 측정 락인 기법을 사용해 미분 전도도를 측정하여 초전도 갭의 구조를 탐색하였다.
• 안드레에프 반사에 대한 BTK 모델을 사용해 갭 크기와 장벽 투과도를 추출하였다.
• 온도 및 자기장 의존 측정을 통해 갭의 진화와 ZBCP의 억제를 연구하였다.
• ARPES 및 전기저항/SQUID 데이터와의 비교를 통해 전자 구조와 매크로스코픽 초전도성 간의 연관성을 규명하였다.
• ZBCP에 대한 경쟁 가능한 해석, 즉 위상적 표면 상태와 두 개의 병렬 전도 채널을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cu₀.₂Bi₂Se₃에서의 초전도성 쌍대 대칭성은 무엇이며, 비정상적 특성을 보이는가?
• RQ2 관측된 0 mV에서의 전도도 피크(ZBCP)는 위상적 표면 안드레에프 유도 상태에서 기인하는가, 아니면 다른 메커니즘에 기인하는가?
• RQ3 Tc (~10 K) 이상에서도 지속되는 큰 초전도 갭(2–5 meV)의 기원은 무엇인가?
• RQ4 큰 갭 대 Tc 비율(2Δ/kBTc ≈ 14)은 고전적인 BCS 이론으로 설명될 수 있는가, 아니면 비정상적 쌍대 대칭을 시사하는가?
• RQ5 산란 가능한 안드레에프 유도 상태의 존재를 통해 Cu₀.₂Bi₂Se₃에서 메이저라나 페르미온의 증거가 있는가?

주요 결과

• 점접촉 측정에서 세 가지의 구분되는 스펙트럼 유형이 관측되었으며, 각각 0.6 mV 갭을 가진 안드레에프 반사, 10 K까지 지속되는 큰 갭 특성, 그리고 ZBCP와 2 meV의 큰 갭을 가지는 터널링 유사 스펙트럼이다.
• ZBCP는 2 T 자기장에서 억제되었고 약 2.1 K에서 사라졌으며, 이는 BCS 이론과 다른 비선형 온도 의존성을 나타낸다.
• 2 meV의 큰 갭 크기(2Δ/kBTc ≈ 14)는 고전적인 BCS 초전도성과 일치하지 않으며, 비정상적 쌍대 대칭을 시사한다.
• ±2 mV에서의 스펙트럼의 곡선은 매우 큰 초전도 갭을 시사하며, ZBCP와 비슷한 너비를 가지므로 이중 채널 전도 모델을 지지한다.
• ARPES 데이터는 Cu 삽입에 의해 n형 도핑이 발생했으며, 디랙 점이 약 180 meV 이동했음을 확인했고, 위상적 표면 상태는 유지되었다.
• 관측된 스펙트럼은 시간역전 비대칭, 홀수 페르리 위상적 초전도체가 메이저라나 페르미온을 수반할 수 있다는 이론적 예측과 일치한다.