[論文レビュー] Two-Dimensional Time-Reversal-Invariant Topological Superconductivity in Tin Films

Jing Wang, Yong Xu+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2014

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、2軌道モデルを用いてドーピングされたSnX膜における2次元時間反転対称性を保つトポロジカル超伝導体の実現を提案している。強い軌道内吸引相互作用が軌道間相互作用を上回ることで、頑健なエッジマヨラナモードを有するトポロジカル超伝導相が誘発されることを示している。主な結果は、時間反転対称性およびスピン軌道結合によって保護されるトポロジカルに非自明な超伝導状態の実現であり、チューナブルで薄膜型のシステムにおけるマヨラナフェルミオンの実現プラットフォームを提供する。

ABSTRACT

Time-reversal-invariant topological superconductors have a full paring gap in the bulk and gapless Majorana states at the edge or on the surface. Here, we theoretically propose topological superconductivity in a doped quantum spin Hall insulator. We study the pairing symmetry of doped Sn$X$ film within a two-orbital model, and show that it realizes a topological superconductor when the intraorbital attractive interaction is stronger than the interorbital interaction, which is generic for a doped quantum spin Hall insulator with strong spin-orbit coupling. Edge channels are studied in a tight-binding model numerically. Finally, we discuss the possible topological superconductivity in Sn$X$ film by comparing to $3d$ superconductivity in bulk Sn.

研究の動機と目的

• ドーピングされたSnX膜がトポロジカル超伝導体を示す条件を特定すること。
• 強いスピン軌道結合を有する2軌道モデルにおけるペアリング対称性およびトポロジカル相転移を理解すること。
• 時間反転対称性によって保護されるギャップなしエッジ状態の出現を調査すること。
• SnX膜における提案された2次元トポロジカル超伝導体とスズのバルク3d超伝導体との比較。
• 薄膜型時間反転対称性超伝導体におけるマヨラナフェルミオン実現の理論的枠組みを確立すること。

提案手法

• スピン軌道結合を組み込んだ、ドーピングされたSnX膜の電子構造を記述する2軌道タイトビンディングモデルを構築する。
• ペアリング相互作用を、それぞれの軌道内および軌道間の吸引項として別々にモデル化し、その相対的強さを直接比較可能にする。
• トポロジカル不変量を、Nambuグリーン関数のパフリアンによって評価し、トポロジカル超伝導相を特定する。
• 数値的対角化を用いてエッジ状態とその不純物に対する頑健性を分析する。
• 軌道内および軌道間ペアリング相互作用の強さの関数として位相図を描出し、トポロジカル領域を同定する。
• 結果をスズのバルク3d超伝導体と比較し、2次元プラットフォームの実現可能性および特徴を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強いスピン軌道結合を有するドーピングされたSnX膜が、時間反転対称性を保つトポロジカル超伝導体として機能するのはどのような条件下か？
• RQ2 軌道内ペアリング相互作用と軌道間ペアリング相互作用の相対的強さが、トポロジカル位相にどのように影響を与えるか？
• RQ3 提案されたトポロジカル超伝導相におけるエッジ状態の性質は何か？
• RQ4 SnX膜における2次元トポロジカル超伝導体は、スズのバルク3d超伝導体と区別できるか？
• RQ5 時間反転対称性が、この系におけるトポロジカル超伝導相の安定化に果たす役割は何か？

主な発見

• 軌道内吸引相互作用が軌道間相互作用を上回る場合、系はトポロジカル超伝導相に至る。これは、ドーピングされた量子スピンホール絶縁体において自然に満たされる。
• トポロジカル位相は、バルクにおける完全なペアリングギャップおよび時間反転対称性によって保護される頑健なギャップなしマヨラナエッジモードを特徴付ける。
• 数値シミュレーションにより、互いに反対のスピン-運動量ロックを有する2つの逆向きに伝搬するマヨラナエッジチャネルの存在が確認された。
• トポロジカル不変量の計算により、非自明なZ2インデックスが得られ、トポロジカルに非自明な超伝導状態であることが示された。
• 提案されたSnX膜における2次元トポロジカル超伝導体は、スズのバルク3d超伝導体とは明確に異なり、よりチューナブルでアクセスしやすいプラットフォームを提供する。
• エッジモードは局所的不純物に対しても頑健であるため、フォールトトレランス型量子計算への応用が期待される。