[논문 리뷰] Unexpected zero bias conductance peak on the topological semimetal Sb(111) with a single broken layer

Yau Chuen Yam|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 01.

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한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 턨널링 현미경과 준입자 간섭을 사용하여, 붕소(As) (111) 표면의 끊어진 층이 있는 경우에 관찰된 제로 바이어스 도전도 피크(ZBCP)의 비틀림된 기원을 규명한다. ZBCP는 마조라나 페르미온이 아니라, 반도체의 바운드 상태 근처의 수정된 밴드 구조에서 기인하며, 이는 톱올로지컬 수퍼전도체 이종구조에서 이러한 비틀림된 기원을 배제할 필요성을 강조한다.

ABSTRACT

The signature of the long-sought Majorana fermion from a heterostructure of a superconductor and a topological material is the zero bias conductance peak (ZBCP). Topological semimetal Antimony is a good material in making such heterostructure. Since it is of a bilayer crystal structure, it is expected to be cleaved between bilayers. However, we found that on its cleaved surface there can be steps with step heights corresponding to the intrabilayer distance, indicating that there is a broken layer underneath. The dI/dV spectrum observed using scanning tunneling microscope on these abnormal steps are quite different from the usual Sb spectrum and there is a pronounced ZBCP. Using quasiparticle interference imaging, Landau level spectroscopy and density functional theory (DFT), we found that the ZBCP is originated from the changed band structure through van Hove singularity. This shows that when we try to probe the signature of Majorana fermion in the heterostructure, we need to make sure the ZBCP is not from this trivial origin due to the imperfectness of the topological material.

연구 동기 및 목표

• Sb(111) 표면의 끊어진 층이 있는 경우 관찰된 놀라운 제로 바이어스 도전도 피크(ZBCP)의 기원을 조사하기 위해.
• 톱올로지컬 반도체 Sb(111)에서의 ZBCP가 마조라나 페르미온의 징후인지, 아니면 비틀림된 전자적 효과인지 판단하기 위해.
• 표면 결함, 예를 들어 끊어진 층이 Sb(111)의 전자 구조를 어떻게 변화시키고 ZBCP를 유도하는지 조사하기 위해.
• 톱올로지컬 양자 장치 후보 물질에서 ZBCP의 기원이 톱올로지컬인지 비틀림된 기원인지 구분하기 위해.

제안 방법

• 이상한 단계 가장자리가 있는 Sb(111) 표면에서 국소적인 dI/dV 스펙트럼을 측정하기 위해 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 수행하기 위해.
• 모멘텀 공간 전자 구조를 매핑하고 산란 특징을 식별하기 위해 준입자 간섭(QPI) 영상 기법을 사용하기 위해.
• 자기장 하에서 양자화된 에너지 수준을 분석하고 밴드 구조의 수정을 확인하기 위해 랑주 레벨 분광법을 적용하기 위해.
• Sb(111)의 끊어진 층이 있는 전자 구조를 모델링하고 관측된 ZBCP를 재현하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하기 위해.
• 실험적 dI/dV 스펙트럼을 DFT 예측 밴드 구조와 비교하여 ZBCP가 패전 수준 근처의 반데르발스 특이점과 연결됨을 확인하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Sb(111) 표면의 끊어진 층이 있는 경우 관찰된 놀라운 제로 바이어스 도전도 피크(ZBCP)는 무엇으로 인해 발생하는가?
• RQ2 ZBCP는 마조라나 페르미온의 징후인지, 아니면 표면 결함으로 인한 비틀림 효과인가?
• RQ3 끊어진 층의 존재가 Sb(111)의 패전 수준 근처 밴드 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 수정된 밴드 구조 내 반데르발스 특이점이 ZBCP 형성에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 준입자 간섭과 랑주 레벨 분광법은 ZBCP의 기원이 톱올로지컬인지 비틀림된 기원인지 구분할 수 있는가?

주요 결과

• Sb(111) 표면의 끊어진 층이 있는 경우 관찰된 ZBCP는 마조라나 페르미온의 징후가 아니라, 표면 결함으로 인한 수정된 밴드 구조에서 기인한다.
• ZBCP는 끊어진 층에 의해 유도된 반데르발스 특이점과 관련되어 있으며, 이는 패전 수준에서 상태 밀도를 증가시킨다.
• 준입자 간섭 영상은 끊어진 층 근처의 수정된 밴드 구조와 일치하는 특징적인 산란 패tern을 드러냈다.
• 랑주 레벨 분광법은 패전 수준 근처에 평탄한 밴드가 존재함을 확인하여 DFT 예측의 반데르발스 특이점과 일치함을 입증했다.
• DFT 계산은 끊어진 층 영역에서의 내이층 간격이 전자 구조의 상당한 재구성에 기여함을 보여주었다.
• 본 연구는 비틀림된 표면 결함이 톱올로지컬 징후를 모방할 수 있음을 입증하며, 마조라나 페르미온 탐지 선언 전에 철저한 특성 분석이 필수적임을 시사한다.