[论文解读] High-$T_c$ Superconductor Fe(Se,Te) Monolayer: an Intrinsic, Scalable and Electrically-tunable Majorana Platform

Xianxin Wu, Xin Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2019

Iron-based superconductors research被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种本征的、可扩展的、可电调控的马约拉纳零能模（MZMs）平台，适用于单层高Tc超导体Fe(Se,Te)，通过面内磁场和局域电场栅控诱导出高阶拓扑超导相。关键成果是在无异质结构条件下，通过本征磁各向异性和拓扑能带反转，实现了在角点、化学势畴壁和三 junction 处的鲁棒 MZMs。

ABSTRACT

A monolayer of the high-$T_c$ superconductor FeTe$_{1-x}$Se$_x$ has been predicted to realize a topologically non-trivial state with helical edge modes at its boundary, providing a novel intrinsic system to search for topological superconductivity and Majorana zero modes. Evidence in favor of a topological phase transition and helical edge modes has been identified in recent experiments \cite{Peng2019}. We propose to create Majorana zero modes by applying an in-plane magnetic field to the FeTe$_{1-x}$Se$_x$ monolayer and by tuning the local chemical potential via electric gating. Owing to the anisotropic magnetic couplings on edges from a topological band inversion, an in-plane magnetic field drives the system into an intrinsic high-order topological superconductor phase with Majorana corner modes, without fabricating heterostructures. Furthermore, we demonstrate that Majorana zero modes can occur at other different locations, including the domain wall of chemical potentials at one edge and certain type of tri-junction in the 2D bulk. Our study not only demonstrates FeTe$_{1-x}$Se$_x$ monolayer as a promising Majorana platform with scalability and electrical tunability and within reach of contemporary experimental capability, but also provides a general principle to search for realistic realization of high-order topological superconductivity.

研究动机与目标

• 识别一种无需复杂异质结构的、鲁棒的、本征的马约拉纳零能模（MZMs）实现平台，适用于高Tc超导体。
• 克服现有基于近邻效应和低温运行的MZM平台的局限性。
• 通过双栅控实现局域化学势调控，展示MZMs的电调控能力。
• 通过磁各向异性和能带反转，探索Fe(Se,Te)单层中的高阶拓扑超导性。
• 建立在其他材料中实现高阶拓扑超导性的通用原则。

提出的方法

• 该研究采用包含自旋-轨道耦合的五轨道紧束缚模型来描述Fe(Se,Te)单层，引入来自拓扑量子自旋霍尔态的能带反转效应。
• 施加面内磁场以打破时间反演对称性，诱导出具有马约拉纳角模的高阶拓扑超导相。
• 利用局域电场栅控调节化学势，实现对边缘和畴壁处MZM形成的调控。
• 双栅结构产生非对称势场，驱动二维拓扑相变，实现量子自旋霍尔相与平凡绝缘体相之间的转变。
• 理论分析包括能带结构计算和拓扑不变量计算，以确认各种构型下MZMs的存在。
• 采用基于Wannier函数的紧束缚模型，包含Se/Te的$p_z$轨道，以验证电场栅控下能带反转的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在无异质结构或复杂界面的Fe(Se,Te)单层中实现本征的马约拉纳零能模？
• RQ2 面内磁场如何诱导高阶拓扑超导性并稳定马约拉纳角模？
• RQ3 局域电场栅控是否可实现系统在拓扑相与平凡相之间的转变，从而在化学势畴壁处形成MZMs？
• RQ4 由拓扑能带反转引起的磁各向异性在$s$-波配对条件下对稳定MZMs起到何种作用？
• RQ5 MZMs是否不仅可出现在角点，也可通过电控驱动的拓扑相变在二维体相三 junction 处实现？

主要发现

• 当施加面内磁场时，Fe(Se,Te)单层表现出本征的高阶拓扑超导性，导致在垂直边缘处形成鲁棒的马约拉纳角模。
• 由于磁各向异性和局域栅控，化学势畴壁处的单一边缘上稳定存在马约拉纳零能模。
• 通过双栅电场调控诱导出量子自旋霍尔相与平凡绝缘体相之间的二维拓扑相变，实现在三 junction 处形成MZMs。
• 系统中的能带反转源于电场栅控引起的非对称势场导致的宇称对称性破缺，通过Wannier轨道投影得到验证。
• 40 K的临界温度和约45 T的高面内上临界磁场使该平台在当前技术条件下具有实验可实现性。
• 该机制具有普适性：拓扑能带中的磁各向异性可在其他材料中实现高阶拓扑超导性，即使在$s$-波配对条件下亦然。