[논문 리뷰] Josephson Detection of Time Reversal Symmetry Broken Superconductivity in SnTe Nanowires

Christie J. Trimble, Ming Wei외 9명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 09.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 주변에서 유도된 초전도성에서 시간역전 대칭성의 위반을 조셉슨 접합 측정을 통해 SnTe 나노와이어에서 입증한다. 이는 상호작용하는 비대칭성과 외부 초전도 필드 간의 경쟁에 의해 유도된 $s\pm i s^\prime$ 초전도 상태를 보여주며, 주요 증거로는 비대칭 임계 전류와 교류 조셉슨 효과에서 두드러진 제2조화가 있다. 이는 시간역전 대칭성의 위반과 초전도 전류 흐름의 반도체 도메인 벽 제어를 확인한다.

ABSTRACT

Exotic superconductors, such as high T$_C$, topological, and heavy-fermion superconductors, require phase sensitive measurements to determine the underlying pairing. Here we investigate the proximity-induced superconductivity in nanowires of SnTe, where an $s\pm is^{\prime}$ superconducting state is produced that lacks the time-reversal and valley-exchange symmetry of the parent SnTe. This effect, in conjunction with a ferroelectric distortion of the lattice at low temperatures, results in a marked alteration of the properties of Josephson junctions fabricated using SnTe nanowires. This work establishes the existence of a ferroelectric transition in SnTe nanowires and elucidates the role of ferroelectric domain walls on the flow of supercurrent through SnTe weak links. We detail two unique characteristics of these junctions: an asymmetric critical current in the DC Josephson effect and a prominent second harmonic in the AC Josephson effect. Each reveals the broken time-reversal symmetry in the junction. The novel $s\pm is^{\prime}$ superconductivity and the new Josephson effects can be used to investigate fractional vortices [1,2], topological superconductivity in multiband materials [3-5], and new types of Josephson-based devices in proximity-induced multiband and ferroelectric superconductors [6,7].

연구 동기 및 목표

• 주변 효과를 유도한 SnTe 나노와이어에서 조셉슨 접합을 이용하여 시간역전 대칭성의 위반을 탐지하는 것.
• 다밴드 초전도체에서 반도체 도메인 벽이 초전류 흐름을 어떻게 조절하는지 연구하는 것.
• SnTe 나노와이어에서 반도체 전이의 존재를 확인하고, 초전도 위상 일관성에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 다밴드 초전도성과 주변에서 유도된 시스템에서 위반된 대칭성 간의 상호작용을 탐구하는 것.

제안 방법

• 알루미늄 초전도 리드로 접촉된 SnTe 나노와이어를 이용하여 주변 효과를 유도한 조셉슨 접합의 제작.
• 저온에서의 현장 내 냉각 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 구조적 및 전자적 상전이 관찰.
• 직류 및 교류 조셉슨 효과 측정을 통해 초전도 밴드 간 위상 차이 탐색.
• 전자 衍생도 패턴과 격자 무늬 분석을 통해 삼각형 반도체 도메인과 도메인 벽 식별.
• 자유 에너지 이론 모델링: $ F(\theta_1,\theta_2) = J\cos(\theta_1 - \theta_2) + J'_1\cos(\theta_1) + J'_2\cos(\theta_2) $, 여기서 $ J $ 는 상호작용하는 비대칭성이고 $ J' $ 은 외부 초전도 필드 강도이다.
• 관측된 조셉슨 효과와 $ J $ 와 $ J' $ 간의 경쟁에 의해 유도된 초전도 위상 차이의 기울어짐과의 상관관계 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주변에서 유도된 SnTe 나노와이어의 초전도성에서 시간역전 대칭성이 위반되는가? 그리고 조셉슨 효과를 통해 어떻게 탐지할 수 있는가?
• RQ2 반도체 도메인 벽은 다밴드 초전도 접합에서 초전류 운반을 어떻게 조절하는가?
• RQ3 상호작용하는 비대칭성과 외부 초전도 필드 간의 경쟁은 SnTe에서 어떻게 $ s\pm i s^\prime $ 초전도 상태를 유도하는가?
• RQ4 80 K 이하에서 SnTe 나노와이어에서 발생하는 구조적 및 전자적 전이들은 무엇이며, 초전도 대칭성 위반과 어떻게 관련되는가?
• RQ5 교류 조셉슨 효과에서의 제2조화는 다밴드 초전도체에서 시간역전 대칭성 위반의 직접적 징후가 될 수 있는가?

주요 결과

• 80 K에서 SnTe 나노와이어에서 반도체 전이가 확인되었으며, 이 온도 이하에서 도메인 벽이 나타났고, 현장 내 냉각 TEM을 통해 와이어 축에 수직인 어두운 줄무늬로 시각화되었다.
• 전자 衍생도 패턴에서 12 K에서의 분할이 관측되어 입자 구조에서 삼각형 대칭성으로의 전이가 일어났고, 1.2°의 각도로 분리된 두 개의 반도체 도메인이 존재함을 나타냈다.
• 전자 빔 진동 동안 TEM 영상에서 어두운 줄무늬가 고정되어 있었으며, 이는 이미징 오류가 아니라 반도체 도메인 벽임을 확인했다.
• 조셉슨 접합에서 비대칭 임계 전류가 관측되어 초전도 상태에서 시간역전 대칭성의 위반에 직접적인 징후가 되었다.
• 교류 조셉슨 효과에서 두드러진 제2조화가 관측되어 초전도 밴드 간에 유한한 위상 차이가 존재함을 확인했다.
• $ s\pm i s^\prime $ 초전도 상태는 상호작용하는 비대칭성 $ J $ 와 외부 초전도 필드 $ J' $ 간의 경쟁에 의해 유도되며, 시간역전 대칭성과 밸리-교환 대칭성이 위반된 기울어진 위상 구성이 된다.