[论文解读] Multifractal superconductivity in a two-dimensional transition metal dichalcogenide

Carmen Rubio-Verdú, Antonio M. Garcı́a-Garcı́a+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 1

一句话总结

本研究通过低温扫描隧道显微镜/谱学技术，在弱无序单层NbSe₂中揭示了多重分形超导性。研究发现，超导能隙呈现空间调制，其统计分布符合对数正态分布，且关联函数呈幂律衰减，证实了二维弱无序体系中典型的异常奇异谱标度行为，从而将本征态的多重分形性扩展至超导态。

ABSTRACT

Eigenstate multifractality is a distinctive feature of non-interacting disordered metals close to a metal-insulator transition, whose properties are expected to extend to superconductivity. While multifractality in three dimensions (3D) only develops near the critical point for specific strong-disorder strengths, multifractality in 2D systems is expected to be observable even for weak disorder. Here we provide evidence for multifractal features in the superconducting state of an intrinsic weakly disordered single-layer NbSe$_2$ by means of low-temperature scanning tunneling microscopy/spectroscopy. The superconducting gap, characterized by its width, depth and coherence peaks' amplitude, shows a characteristic spatial modulation coincident with the periodicity of the quasiparticle interference pattern. Spatial inhomogeneity of the superconducting gap width, proportional to the local order parameter in the weak-disorder regime, follows a log-normal statistical distribution as well as a power-law decay of the two-point correlation function, in agreement with our theoretical model. Furthermore, the experimental singularity spectrum f($\alpha$) shows anomalous scaling behavior typical from 2D weakly disordered systems.

研究动机与目标

• 研究多重分形性（已知于金属-绝缘体相变附近无序金属中）是否延伸至二维体系的超导态。
• 确定弱无序二维超导体（如NbSe₂）的超导序参量是否表现出本征态多重分形性。
• 建立超导能隙空间非均匀性的多重分形特征的实验标志。
• 利用局域谱学测量验证二维超导体系中多重分形性的理论模型。

提出的方法

• 采用低温扫描隧道显微镜与谱学技术（STM/STS）测绘单层NbSe₂中超导能隙的空间分布。
• 分析超导能隙宽度、深度及相干峰振幅，提取局域序参量的波动。
• 利用准粒子干涉图案的周期性作为空间参考，将能隙调制与晶格结构关联。
• 对能隙宽度分布进行统计分析，发现其符合对数正态分布，与多重分形行为一致。
• 计算能隙宽度的两点关联函数，观察到幂律衰减，表明存在长程关联。
• 从能隙涨落中提取奇异谱f(α)，识别出二维弱无序体系典型的异常标度行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在二维过渡金属二硫属化物的超导态中，本征态的多重分形性是否仍然存在？
• RQ2 弱无序NbSe₂中超导能隙的空间非均匀性是否与对数正态分布一致？
• RQ3 能隙宽度的两点关联函数是否表现出幂律衰减，表明存在长程关联？
• RQ4 NbSe₂中超导能隙的奇异谱f(α)是否与二维弱无序体系预期的异常标度行为一致？
• RQ5 实验STM/STS测量能否检测到超导序参量中的多重分形特征？

主要发现

• 单层NbSe₂中超导能隙宽度的空间调制与准粒子干涉图案的周期性相匹配。
• 超导能隙宽度的分布服从对数正态统计分布，这是多重分形体系的典型特征。
• 能隙宽度的两点关联函数呈幂律衰减，表明存在长程空间关联。
• 实验提取的奇异谱f(α)表现出二维弱无序体系特有的异常标度行为。
• 在弱无序区域，能隙宽度的空间非均匀性与局域序参量成正比，证实其与超导性质的相关性。
• 这些结果为弱无序条件下二维过渡金属二硫属化物中多重分形超导性的存在提供了直接实验证据。