[论文解读] Andreev Reflection Spectroscopy of Topological Superconductor Candidate Nb$_x$Bi$_2$Se$_3$

C. Kurter, A. D. K. Finck+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2017

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用 11

一句话总结

本研究通过低温输运测量和第一性原理能带计算，探究Nb掺杂Bi2Se3（一种拓扑超导体候选材料）中的Andreev反射。观测到的温度和磁场依赖的零偏压电导峰——其行为无法用临界电流效应解释——支持存在亚能隙束缚态，可能源于马约拉纳零能模。能带结构计算证实，Nb插层在费米能级附近诱导出自旋分裂的杂化态，与多带超导性和拓扑配对一致。

ABSTRACT

We study unconventional superconductivity in thin exfoliated single crystals of a promising 3D topological superconductor candidate, Nb-doped Bi$_2$Se$_3$ through Andreev reflection spectroscopy and magneto-transport. Measurements of Andreev reflection in low and high resistance samples both show enhanced conductance around zero bias and conductance dips at the superconducting energy gap. Such behavior is inconsistent with conventional Blonder-Tinkham-Klapwijk theory of Andreev reflection. We discuss how our results are consistent with $p$-wave pairing symmetry, supporting the possibility of topological superconductivity in Nb-doped Bi$_2$Se$_3$.

研究动机与目标

• 通过Andreev反射谱学探测Nb掺杂Bi2Se3中的亚能隙束缚态。
• 确定零偏压电导峰是否源于拓扑马约拉纳束缚态或常规超导临界电流效应。
• 通过第一性原理计算理解Nb插层引起的Bi2Se3电子结构变化。
• 将实验电导谱与预测的多带超导能隙和自旋依赖能带结构相关联。

提出的方法

• 在具有透明接触的机械剥离Nb_xBi2Se3薄片上进行低温微分电导（dI/dV）测量。
• 测量dI/dV的温度和磁场依赖性，以区分临界电流效应与本征束缚态。
• 采用PBE泛函的密度泛函理论（DFT）计算Nb插层Bi2Se3多层结构的电子能带结构。
• 在不同位置（表面、层间、五原子层内）建模Nb插层，并通过总能计算确定最稳定的构型。
• 分析自旋分辨能带结构，识别费米能级附近的自旋分裂态。
• 将计算得到的能带结构与实验电导谱对比，将多能隙特征与电子结构关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 Nb_xBi2Se3中观测到的零偏压电导峰是否源于拓扑马约拉纳束缚态，或源于常规超导临界电流效应？
• RQ2 Nb插层如何改变Bi2Se3的电子能带结构，特别是在费米能级附近？
• RQ3 Nb原子在Bi2Se3多层结构中的优先插层位置是什么？其对电子性质有何影响？
• RQ4 微分电导谱中的多能隙特征能否由Nb引起的自旋依赖能带杂化解释？
• RQ5 是否存在支持拓扑超导配对的多带超导性的实验证据？

主要发现

• Nb_xBi2Se3中的零偏压电导峰随温度升高和磁场增强而减小，与临界电流效应的预期相反。
• 热扰动和磁场下零偏压电导的抑制支持本征亚能隙束缚态的存在，而非有限临界电流起源。
• 总能计算证实Nb原子优先占据Bi2Se3五原子层之间的层间位置。
• Nb插层在费米能级附近诱导出自旋分裂态，其中在Bi2Se3能带隙内存在三个自旋向上态和一个自旋向下态。
• 自旋分辨能带结构显示Nb与Bi2Se3态之间存在强杂化，与先前观测到的多个费米面一致。
• 计算得到的电子结构解释了实验观测到的Andreev电导谱中的多能隙特征，支持多带超导配对机制。