[论文解读] Proximity effect and Ising superconductivity in superconductor/transition metal dichalcogenide heterostructures

Ryohei Wakatsuki, K. T. Law|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2016

Graphene research and applications被引用 6

一句话总结

本文提出，将常规s波超导体邻近耦合至过渡金属二硫属化物（TMD）可诱导强Ising自旋轨道耦合（SOC），显著提升平面方向的上临界场 $H_{c2}$，使其远超Pauli极限。当平面磁场超过Pauli极限但低于 $H_{c2}$ 时，异质结构转变为具有边缘处鲁棒Majorana平坦能带的节点型拓扑超导体，为拓扑量子计算和超导自旋电子学提供了潜在应用。

ABSTRACT

Recently, it was experimentally realized that 2D superconducting transition metal dichalcogenides (TMD) such as gated MoS$_2$ and monolayer NbSe$_2$ have in-plane upper critical magnetic fields much higher than the Pauli limit. This is due to the so-called Ising spin-orbit coupling (SOC) of TMD which pins the electron spins along the out-of-plane directions and protects the Cooper pairs from in-plane magnetic fields. However, many TMD materials with extremely large Ising SOC, in the order of a few hundred meV, are not superconducting. In this work, we show that TMD materials can induce strong Ising SOC on ordinary $s$-wave superconductors through proximity effect. By solving the self-consistent gap equation of the TMD/superconductor heterostructure, we found that the $H_{c2}$ of the $s$-wave superconductor can be strongly enhanced. Importantly, when the in-plane field is larger than the Pauli limit field and weaker than $H_{c2}$, the heterostructure becomes a nodal topological superconductor which supports Majorana flat bands.

研究动机与目标

• 探究具有强Ising SOC的非超导TMD材料是否可通过近邻效应在常规s波超导体中诱导出鲁棒超导性。
• 研究Ising SOC如何在异质结构中使平面方向的上临界场 $H_{c2}$ 超越Pauli极限。
• 确定此类异质结构在平面磁场下是否能实现具有Majorana零能模的拓扑超导相。
• 为在工程化二维异质结构中实现高温拓扑超导性和Majorana费米子提供理论框架。

提出的方法

• 针对单层TMD在 $\pm K$ 点附近的两带模型哈密顿量，通过自旋依赖的跃迁项引入Ising SOC。
• 推导TMD/超导体异质结构的自洽配对方程，以计算超导序参量和 $H_{c2}$。
• 施加平面磁场 $V_x$ 以打破时间反演对称性，并诱导拓扑相变。
• 利用有效哈密顿量理论对TMD层进行积分，推导出具有Ising SOC和Zeeman耦合的超导体低能有效哈密顿量。
• 分析拓扑不变量和对称性性质（如手性对称性、BDI类），以识别拓扑相变和节点点。
• 计算有限条带几何结构的能量谱，以可视化连接节点点的Majorana平坦能带的出现。

实验结果

研究问题

• RQ1 近邻耦合至TMD材料是否能在常规s波超导体中诱导强Ising自旋轨道耦合？
• RQ2 在该异质结构中，平面方向的上临界场 $H_{c2}$ 能在多大程度上超越Pauli极限？
• RQ3 在何种条件下，系统会转变为具有Majorana平坦能带的节点型拓扑超导相？
• RQ4 有效哈密顿量和对称性保护在平面磁场存在下稳定Majorana模中起什么作用？

主要发现

• 近邻效应在s波超导体上诱导出强Ising自旋轨道耦合，使其即使在平面磁场存在下也能保持鲁棒超导性。
• s波超导体的平面方向 $H_{c2}$ 显著增强——由于Ising SOC诱导的自旋钉扎机制，其值超过Pauli极限。
• 当平面磁场超过配对间隙（$V_x > \Delta$）时，体超导能隙关闭，能量谱中出现节点点。
• 节点点通过拓扑保护的Majorana平坦能带相连，这些能带局域在超导体的边缘。
• 该系统表现出一维手性对称性，属于Altland-Zirnbauer分类中的BDI类，证实其具有拓扑特性。
• Majorana平坦能带源于平面Zeeman场驱动的拓扑相变，从而实现大量零能模。