[论文解读] Evidence of a two-component order parameter in 4Hb-TaS2 in the Little-Parks effect

Avior Almoalem, Irena Feldman+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2022

2D Materials and Applications参考文献 7被引用 4

一句话总结

本研究通过单晶环中的Little-Parks效应，为4Hb-TaS₂中两分量超导配对参数提供了直接证据。实验观察到临界温度振荡出现π位移——表明配对具有符号变化特性——并在面内磁场下观测到Tc的增强，两者均与手性、拓扑非平庸的超导态一致。这些结果强有力地支持4Hb-TaS₂为手性超导体，具有实现拓扑量子现象的潜力。

ABSTRACT

Finding unambiguous evidence of non-trivial pairing states is one of the greatest experimental challenges in the field of unconventional superconductivity. Such evidence requires phase-sensitive probes susceptible to the internal structure of the order parameter. We measure the Little-Parks effect to provide clear evidence of an unconventional superconducting order parameter in 4Hb-TaS$_2$. Namely, we find a $π$-shift in the transition-temperature oscillations of rings made of a single crystal. We argue that such an effect can only occur if the underlying order parameter belongs to a two-dimensional representation, in other words there are two degenerate order parameters right at the transition. Additionally, we show that $T_c$ is enhanced as a function of the out-of-plane field when a constant in-plane field is applied. Such an increase is consistent with a chiral state, which again, in general only emerges from a two-component order parameter. In combination with previous experiments, our results strongly indicate that 4Hb-TaS$_2$ indeed realizes a chiral superconductor.

研究动机与目标

• 为4Hb-TaS₂中非传统超导性的明确实验证据（特别是两分量配对参数）提供依据。
• 解决在关联超导体中检测非s波配对对称性的长期挑战。
• 确定4Hb-TaS₂中的超导态是否如先前间接证据所暗示的那样具有手性且拓扑非平庸。
• 利用单晶环中的相位敏感测量，探测超导转变时配对参数的内部结构。

提出的方法

• 在单晶4Hb-TaS₂制成的超导环中测量Little-Parks振荡，以检测磁通量子化和相位相干性。
• 分析临界温度（Tc）随磁通变化的振荡行为，识别出表明符号变化配对参数的π位移模式。
• 施加面内和面外磁场，探测Tc的响应，以检测与手性配对通道的耦合。
• 采用具有应变耦合的两分量配对参数的Ginzburg-Landau理论模型，模拟由拓扑缺陷引起的π结形成。
• 将结构应变场识别为拓扑缺陷的来源，该缺陷会抑制配对参数并诱导π结。
• 将实验振荡模式与理论模型进行比较，以区分s波与非传统两分量配对。

实验结果

研究问题

• RQ1 4Hb-TaS₂环中的Little-Parks效应是否揭示了Tc振荡的π位移，表明存在符号变化的配对参数？
• RQ2 所观测到的π位移是否可归因于两分量配对参数，而非样品非均匀性或多晶效应？
• RQ3 在固定面内磁场下，当施加面外磁场时，Tc的增强是否支持手性超导态的存在？
• RQ4 结构应变在诱导超导配对参数中的拓扑缺陷和π结方面起什么作用？
• RQ5 实验数据能否通过Tc时配对参数的二维表示得到一致解释？

主要发现

• 在约一半的单晶4Hb-TaS₂环中观察到Little-Parks振荡中Tc的π位移，表明存在与常规s波配对不相容的符号变化配对参数。
• 该π位移在温度循环中保持稳定，归因于本征结构应变，而非热循环或多晶效应，证实了两分量配对参数的存在。
• 当施加小面内磁场时，观察到面外磁场下Tc的增强，与手性超导态的耦合一致。
• 理论建模表明，具有2π旋转对称性的应变场可迫使配对参数产生分支切割和π结，从而解释观测到的振荡位移。
• π结与Tc增强的共存强烈支持在Tc时存在具有两分量配对参数的手性超导态。
• 结合先前的STM、μSR和涡旋记忆数据，这些结果提供了有力证据，表明4Hb-TaS₂是一种手性超导体，具有潜在的拓扑超导特性。