[論文レビュー] Chiral superconductivity in the alternate stacking compound 4Hb-TaS$_2$

Amit Ribak, R. Majlin Skiff+7 more|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|Jan 1, 2019

2D Materials and Applications被引用数 13

ひとこと要約

本研究は、超伝導性を示す1H-TaS₂（1H型）とモット絶縁体／スピン液体候補である1T-TaS₂（1T型）の層を交互に持つvan der Waalsヘテロ構造4Hb-TaS₂において、キラル超伝導を同定した。ミュオンスピン緩和およびARPESを用いて、Tc ≈ 2.7 Kで時間反転対称性の破れを実証し、p+id対称性状態におけるチサー数が−3であることを示した。これはトポロジカル量子計算のための有望なプラットフォームである。

ABSTRACT

Layered van der Waals (vdW) materials are emerging as one of the most versatile directions in the field of quantum condensed matter physics. They allow an unprecedented control of electronic properties via stacking of different types of two-dimensional (2D) materials. A fascinating frontier, largely unexplored, is the stacking of strongly-correlated phases of matter in vdW materials. Here, we study 4Hb-TaS$_2$, which naturally realizes an alternating stacking of a Mott insulator, recently reported as a gapless spin-liquid candidate(1T-TaS$_2$), and a 2D superconductor (1H-TaS$_2$). This raises the question of how these two components affect each other. We find a superconducting ground state with a transition temperature of 2.7K, which is significantly elevated compared to the 2H polytype (Tc=0.7K). Strikingly, the superconducting state exhibits signatures of time-reversal-symmetry breaking abruptly appearing at the superconducting transition, which can be naturally explained by a chiral superconducting state.

研究の動機と目的

• 化学組成が同一のvan der Waalsヘテロ構造において、超伝導性と強相関モット絶縁相の相乗的相互作用を調査すること。
• ギャップなしのスピン液体モット絶縁体（1T-TaS₂）に近接する1H-TaS₂層が、非単純超伝導を誘発するかどうかを特定すること。
• 4Hb-TaS₂における時間反転対称性の破れおよびキラル超伝導の兆候を同定すること。
• チサー数の計算と秩序パラメータの対称性を用いて、超伝導状態のトポロジカル性を確立すること。

提案手法

• 4Hb相を安定化させるために1%のSeドーピングを施した高品質な単結晶4Hb-TaS₂を合成した。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて電子バンド構造およびフェルミ表面をマッピングし、2H-TaS₂とCDW再構成1T-TaS₂バンドのハイブリッド化を明らかにした。
• 超伝導転移における自発的磁気モーメントおよび時間反転対称性の破れを検出するために、ミュオンスピン緩和（μSR）測定を実施した。
• スピン軌道結合およびs/p/d波対称性を含むボゴリューボフ＝デギンス（BdG）ハミルトニアンを構築し、対称性混合比αの関数としてチサー数を計算した。
• 第3近接原子までの hopping を含むタイトビンディングモデルを用いて電子構造をシミュレートし、超伝導秩序パラメータの位相を計算した。
• フェルミ表面における超伝導ギャップ関数の位相を分析し、キラル対称性（p+id）を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1H-TaS₂超伝導層が1T-TaS₂モット絶縁体層に近接することでキラル超伝導が誘発されるか？
• RQ2 4Hb-TaS₂における超伝導秩序パラメータの対称性は何か？また、時間反転対称性を破るか？
• RQ3 4Hb-TaS₂における超伝導状態は非ゼロのチサー数を有するか？これはトポロジカル秩序を示唆するか？
• RQ4 非単純対称性の微視的起源は何か？また、モット絶縁体からのスピンフラクチュエーションがその媒介を担っているか？
• RQ5 p波およびd波成分の混合比が、超伝導状態におけるトポロジカル不変量（チサー数）に与える影響は何か？

主な発見

• 4Hb-TaS₂はTc ≈ 2.7 Kで超伝導転移を示し、2H型では観察された0.7 Kよりも顕著に高い。
• ミュオンスピン緩和測定により、Tcで急激に出現する自発的磁気モーメントが観測され、時間反転対称性の破れを直接示す証拠が得られた。
• ARPES測定により、2H-TaS₂の電子パッチとCDW再構成1T-TaS₂バンドのハイブリッド構造が明らかになった。後者ではバンドがフェルミ準位に近づいている。
• BdGフレームワークにおけるチサー数の理論的計算から、純粋なp波対称性（α = 1）では𝒞 = −3の値が得られ、トポロジカル的に非自明なキラル超伝導状態であることが示された。
• チサー数は対称性混合比αに強く依存し、純粋なd波対称性（α = 0）では𝒞 = 0となるため、超伝導状態のキラル性が確認された。
• 結果から、モット絶縁体である1T-TaS₂層からのスピンフラクチュエーションを介した対称性誘導が、1H-TaS₂層における観察されたキラルp+id対称性を駆動している可能性が示唆された。