[论文解读] Direct Evidence of Superconductivity with Twofold Symmetry in Bi2Te3 Thin Film Deposited on FeTe0.55Se0.45

Minyang Chen Xiaoyu Chen, Huan Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 27被引用 31

一句话总结

本研究通过准粒子干涉（QPI）光谱学，首次提供了在FeTe₀.₅₅Se₀.₄₅上外延生长的Bi₂Te₃薄膜中存在具有二重对称性的超导性的直接实验证据。观测到的超导能隙中的二重对称性（记为Δ₄y）表明为奇-parity配对，涡旋核心呈现拉长形状，暗示可能存在马约拉纳零能模，为该体系中拓扑超导性的存在提供了有力支持。

ABSTRACT

Topological superconductor is a timely and frontier topic in condensed matter physics. In superconducting state, an order parameter will be established with the basic or subsidiary symmetry of the crystalline lattice. In doped Bi2Se3 with a basic threefold symmetry, it was predicted however that superconductivity may have a twofold symmetry of odd parity. Here we report the proximity effect induced superconductivity in Bi2Te3 thin film on top of an iron-based superconductor FeTe0.55Se0.45. By using the quasiparticle interference technique, we demonstrate clear evidence of twofold symmetry of the superconducting gap. The gap minimum is along one of the main crystalline axis following the so-called Delta_4y notation. This is also accompanied by the elongated vortex shape mapped out by the density of states within the superconducting gap, with probably the Majorana mode within the vortex core. Our results reveal the direct evidence of superconductivity with odd parity in Bi2Te3 thin film.

研究动机与目标

• 研究在铁基超导体FeTe₀.₅₅Se₀.₄₅上外延生长的Bi₂Te₃薄膜中由近邻效应诱导的超导性。
• 确定Bi₂Te₃层中超导能隙的对称性，特别是其是否表现出二重或三重对称性。
• 探测是否存在奇-parity配对及潜在的拓扑超导态，包括涡旋核心中的马约拉纳零能模。
• 为理论预测中关于拓扑绝缘体基异质结中奇-parity超导性的存在提供直接实验证实。

提出的方法

• 利用分子束外延法在FeTe₀.₅₅Se₀.₄₅单晶上外延生长Bi₂Te₃薄膜。
• 采用扫描隧道显微镜（STM）和准粒子干涉（QPI）光谱学，绘制超导能隙的动量空间结构。
• 分析QPI图案以提取序参量的对称性，识别出具有二重旋转对称性的主导Δ₄y型能隙。
• 成像涡旋中态密度的空间分布，以检测表现出非平凡拓扑特征的拉长形状。
• 将实验QPI数据与理论模拟进行比较，确认奇-parity配对对称性的存在。
• 采用角度依赖性测量，确认能隙最小值沿某一特定晶轴方向，与Δ₄y对称性一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 在FeTe₀.₅₅Se₀.₄₅上外延生长的Bi₂Te₃薄膜中超导能隙是否表现出理论预测的奇-parity配对所预期的二重对称性？
• RQ2 该异质结中超导序参量的空间与动量空间结构如何？
• RQ3 涡旋核心区域是否存在拓扑超导性的特征信号，例如马约拉纳零能模？
• RQ4 FeTe₀.₅₅Se₀.₄₅的近邻效应如何诱导并影响Bi₂Te₃中超导性的对称性？
• RQ5 准粒子干涉图案能否在该体系中区分出偶-parity与奇-parity超导态？

主要发现

• 准粒子干涉图案显示出超导能隙中明显的二重旋转对称性，其最小值沿某一主晶轴方向排列。
• 超导能隙对称性被确定为Δ₄y，表明为奇-parity配对，与常规的偶-parity s波或d波态不一致。
• 涡旋核心在态密度中呈现拉长形状，暗示强各向异性和马约拉纳零能模的可能局域化。
• 观测到的能隙对称性与Bi₂Te₃的本征晶体结构直接关联，尽管Bi₂Te₃具有三重旋转对称性，但超导态将其破缺为二重对称性。
• 本研究首次为拓扑绝缘体基异质结中奇-parity超导性提供了直接实验证据。
• 研究结果支持该体系中拓扑超导性的出现，对容错量子计算具有重要意义。