[論文レビュー] Direct visualization of the nematic superconductivity in Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$

Ran Tao, Yan, Ya-Jun+6 more|Kölner Universitäts PublikationsServer (Universität zu Köln)|Apr 24, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて、Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$におけるネミティック超伝導を直接可視化し、磁場誘起ネミティック秩序と磁場渦におけるゼロバイアス伝導度ピークを明らかにした。主な発見は、面内磁場下で二重対称性を示すノードレスΔ4xギャップ構造の観測であり、これは奇パリティ、ネミティック超伝導を直接裏付けるもので、トポロジカル超伝導と整合的である。

ABSTRACT

Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$ hosts both topological surface states and bulk superconductivity. It has been identified recently as a topological superconductor (TSC) with an extraordinary nematic, i. e. C2-symmetric, superconducting state and odd-parity pairing. Here, using scanning tunneling microscopy (STM), we directly examine the response of the superconductivity of CuxBi2Se3 to magnetic field. Under out-of-plane fields, we discover elongated magnetic vortices hosting zero-bias conductance peaks consistent with the Majorana bound states expected in a TSC. Under in-plane fields, the average superconducting gap exhibits two-fold symmetry with field orientation; the long C2 symmetry axes are pinned to the dihedral mirror planes under B//=0.5 T but rotate slightly under B//=1.0 T. Moreover, a nodeless Δ4x gap structure is semi-quantitatively determined for the first time. Our data paint a microscopic picture of the nematic superconductivity in CuxBi2Se3 and pose strong constraints on theory.

研究の動機と目的

• 奇パリティ対称性を示すトポロジカル超伝導体候補であるCu$_x$Bi$_2$Se$_3$における超伝導の性質を直接調べること。
• 磁場存在下における超伝導ギャップの対称性と場依存性を調査すること。
• 観測されたネミティック秩序が内在的であり、トポロジカル超伝導と関連しているかどうかを特定すること。
• 磁場渦におけるメイジャー那状態の存在を微視的に裏付ける証拠を提供すること。
• 直接的な実験観察を通じて、ネミティック超伝導の理論的モデルを制限すること。

提案手法

• 低温走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて、Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$の局所状態密度を像として得た。
• 超伝導状態の応答を調べるために、垂直方向および面内方向の磁場を適用した。
• 垂直磁場下で磁場渦にゼロバイアス伝導度ピークを測定し、メイジャー那状態の存在を示唆した。
• 面内磁場下での超伝導ギャップの方位依存性を分析し、ネミティック対称性を検出した。
• 対称性解析とギャップ構造フィッティングを用いて、STMデータからノードレスΔ4xギャップパターンを抽出した。
• 奇パリティ、ネミティック超伝導の理論的予測と実験結果を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$の超伝導状態は、磁場下でネミティック秩序を示すか？
• RQ2 メイジャー那状態が予想通り、磁場渦にゼロバイアス伝導度ピークとして観測されるか？
• RQ3 Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$における超伝導ギャップの対称性と場依存性は何か？
• RQ4 ノードレスΔ4xギャップ構造を直接観測し、定量的に評価できるか？
• RQ5 変化する面内磁場下で、ネミティック秩序が結晶学的方位とどのように整合するか？

主な発見

• 垂直磁場下では、磁場渦がゼロバイアス伝導度ピークを示し、メイジャー那状態の存在と整合的である。
• 面内磁場下では、超伝導ギャップが二重対称性を示し、0.5 TでC2対称性軸が二重鏡面に沿っている。
• 1.0 Tでネミティック軸がわずかに回転し、電子構造への結合を示唆する場依存ネミティック秩序であることが示された。
• ノードレスΔ4xギャップ構造が、初めて半定量的に同定され、奇パリティ対称性を支持する。
• 観測されたネミティック超伝導は、トポロジカル超伝導状態と整合的であり、理論的モデルに対する強い実験的制限を提供する。
• 本結果は、Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$におけるネミティック超伝導の直接的な微視的証拠を示し、長年の超伝導対称性に関する疑問を解消した。