[論文レビュー] Magic angles and current-induced topology in twisted nodal superconductors

Pavel A. Volkov, Justin H. Wilson+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本論文はノードを持つ超伝導体のねじれ二層構造を調査し、ねじれ角および外部制御（電流、磁場、電圧）によって準粒子スペクトルをチューニングできることを示している。層間電流を印加すると、量子化された熱ホール効果と無エネルギーの中性エッジモードを示すトポロジカル超伝導相が誘発される。一方、マジック角付近では時間反転対称性を破る超伝導状態が出現する。

ABSTRACT

Motivated by the recent achievements in the realization of strongly correlated and topological phases in twisted van der Waals heterostructures, we study the low-energy properties of a twisted bilayer of nodal superconductors. It is demonstrated that the spectrum of the superconducting Dirac quasiparticles close to the gap nodes is strongly renormalized by twisting and can be controlled with magnetic fields, current, or interlayer voltage. In particular, the application of an interlayer current transforms the system into a topological superconductor, opening a topological gap and resulting in a quantized thermal Hall effect with gapless, neutral edge modes. Close to the magic angle, where the Dirac velocity of the quasiparticles is found to vanish, a correlated superconducting state breaking time-reversal symmetry is shown to emerge. Estimates for a number of superconducting materials, such as cuprate, heavy fermion, and organic nodal superconductors, show that twisted bilayers of nodal superconductors can be readily realized with current experimental techniques.

研究の動機と目的

• ねじれ二層ノード超伝導体の低エネルギー電子的性質を調査すること。
• ねじれがギャップノード付近のディラック準粒子スペクトルに与える影響を理解すること。
• 外部制御（電流、磁場、電圧）の下でトポロジカル超伝導がどのように出現するかを調査すること。
• 特にマジック角付近で時間反転対称性を破る超伝導状態が出現する条件を特定すること。
• 現在の実験的手法を用いて、既知の超伝導体でこれらの状態を実現可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 連続的アプローチを用いて、ねじれノード超伝導体の低エネルギー有効ハミルトニアンをモデル化すること。
• ねじれ角の影響を含めた準粒子スペクトルの解析、特にディラック速度とギャップ構造の再正規化を評価すること。
• 層間電流を印加してトポロジカル相転移を誘発すること。
• 対称性およびトポロジカル不変量の計算を用いて、トポロジカルギャップの出現を特定すること。
• 中性エッジモードの存在を調べるために、熱ホール伝導度を評価すること。
• 実材料における観測可能な効果を得るための臨界パラメータ（例えば、ねじれ角、電流密度）を推定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ねじれ角はノード超伝導体におけるディラック準粒子スペクトルにどのように影響するか？
• RQ2 層間電流は、量子化された熱ホール応答を示すトポロジカル超伝導相を誘発できるか？
• RQ3 マジック角は、相関的で時間反転対称性を破る超伝導状態を安定化する上で果たす役割は何か？
• RQ4 実材料でこれらのトポロジカル相を実現可能な実験的条件は何か？
• RQ5 磁場および層間電圧は、さらにトポロジカルおよび超伝導的性質をどのようにチューニングできるか？

主な発見

• 層間電流により、ギャップのあるバルクとギャップのない中性エッジモードを有するトポロジカル超伝導相が誘発される。
• 系は量子化された熱ホール伝導度を示し、トポロジカル秩序の存在を示唆する。
• マジック角付近では、準粒子のディラック速度が消え、強く相関した超伝導状態が出現する。
• マジック角付近の相関状態では、トポロジカル不変量の結果から時間反転対称性が破れていることが示される。
• 理論的推定により、銅酸化物、重フェルミオン、有機ノード超伝導体のねじれ二層構造は、現在の技術で実験的に実現可能であることが確認された。
• 磁場、電流、または層間電圧を用いることで、準粒子スペクトルは顕著にチューニング可能であり、トポロジカルおよび超伝導的性質の動的制御が可能となる。