[論文レビュー] Rotational Symmetry Breaking in a Trigonal superconductor Nb-doped Bi2Se3

Tomoya Asaba, Benjamin Lawson+8 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Mar 13, 2016

Iron-based superconductors research被引用数 33

ひとこと要約

本研究では、三重対称性を示すトポロジカル超伝導体であるNbドープBi2Se3の超伝導状態における回転対称性の破れを直接実験的に示した。トルク磁化率測定を用いて、磁気ヒステリシスループに顕著な2重対称性の異方性が観測され、自発的nematic秩序と3重対称性の結晶構造への強い結合を示している。結果は、線形ノードを欠いたギャップなし超伝導状態を示す奇関数パリティのトポロジカル超伝導を支持する。

ABSTRACT

The search for unconventional superconductivity has been focused on materials with strong spin-orbit coupling and unique crystal lattices. Doped bismuth selenide (Bi$_2$Se$_3$) is a strong candidate given the topological insulator nature of the parent compound and its triangular lattice. The coupling between the physical properties in the superconducting state and its underlying crystal symmetry is a crucial test for unconventional superconductivity. In this paper, we report direct evidence that the superconducting magnetic response couples strongly to the underlying 3-fold crystal symmetry in the recently discovered superconductor with trigonal crystal structure, niobium (Nb)-doped bismuth selenide (Bi$_2$Se$_3$). More importantly, we observed that the magnetic response is greatly enhanced along one preferred direction spontaneously breaking the rotational symmetry. Instead of a simple 3-fold crystalline symmetry, the superconducting hysteresis loop shows dominating 2-fold and 4-fold symmetry. This observation confirms the breaking of the rotational symmetry and indicates the presence of nematic order in the superconducting ground state of Nb-doped Bi$_2$Se$_3$. Further, heat capacity measurements display an exponential decay in superconducting state and suggest that there is no line node in the superconducting gap. These observations provide strong evidence of odd-parity topological superconductivity.

研究の動機と目的

• NbドープBi2Se3における超伝導磁気応答とその下地となる結晶対称性の相乗的相互作用を調査すること。
• この三重対称性超伝導体の超伝導基底状態において、回転対称性の破れが生じるかどうかを特定すること。
• 熱力学的および磁気的異方性を測定することで、NbドープBi2Se3の対称性を解明すること。
• トルク磁化率を、非単一超伝導体におけるnematic超伝導の検出に感度の高いプローブとして確立すること。

提案手法

• 異なる磁場および角度の下で、NbドープBi2Se3の面内磁気的異方性をトルク磁化率測定により測定した。
• 磁気トルク τ = μ₀V(M × H) を用い、M は磁場 H に関する自由エネルギーの微分から導出された磁化である。
• 超伝導ヒステリシスループの角度依存性を用いて対称性成分を抽出し、データを A₀ + A₂φ sin(2φ - α) + A₄φ sin(4φ - β) にフィッティングした。
• 熱容量測定を実施し、超伝導ギャップ構造を評価し、線形ノードの有無を検出する。
• Hc₂を超えた常磁性状態で制御測定を実施し、常磁性感受率の異方性を分離した。
• 複数の試料（特に試料Eを含む）を用いて再現性を確認し、幾何的アーチファクトを除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NbドープBi2Se3の超伝導状態は回転対称性を破るのか。もし破れるならば、その破れの性質は何か？
• RQ2 観測されたヒステリシスループの異方性は、内在的なnematic秩序に起因するのか、外的な試料幾何形状に起因するのか？
• RQ3 3重対称性の結晶構造と観測された2重および4重対称性の磁気的異方性の関係は何か？
• RQ4 熱容量測定によって示唆されるように、NbドープBi2Se3の超伝導ギャップは線形ノードを有するのか？
• RQ5 トルク磁化率は、非単一超伝導体におけるnematic超伝導の検出に信頼できる熱力学的プローブとして機能するのか？

主な発見

• 超伝導ヒステリシスループに顕著な2重対称性の異方性が観測され、自発的回転対称性の破れとnematic秩序の存在を示している。
• nematic秩序パラメータ（A₂φ）は零磁場付近で主要項であり、上臨界磁場（Hc₂）に近づくにつれて消失する。
• 4重対称性成分（A₄φ）は二次的であり、観測された対称性の破れが単に3重対称性の結晶格子の反映であるとは限らないことを確認している。
• 熱容量測定では、超伝導状態で指数関数的減衰が観測され、超伝導ギャップに線形ノードが存在しないことを示している。
• 複数のNbドープBi2Se3試料で観測されたnematic異方性は再現可能であり、超伝導状態の内在的性質であることを確認している。
• 常磁性状態（Hc₂を超えた領域）では、磁気感受率の異方性が sin(2φ) に従い、常磁性挙動と整合的であり、バックグラウンド信号の起源を確認している。