[论文解读] Unconventional superconductivity in CuxBi2Se3

T. Kirzhner, E. Lahoud+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2011

Topological Materials and Phenomena参考文献 13被引用 39

一句话总结

本研究利用点接触谱学方法，对Cu₀.₂Bi₂Se₃单晶中的非传统超导性进行了研究，揭示了三种不同的谱线特征：具有0.6 mV能隙的Andreev反射、在Tc（约10 K）以上仍存在的大能隙特征，以及具有零偏压电导峰（ZBCP）和2 meV大能隙（2Δ/kBTc ≈ 14）的隧穿样谱线。ZBCP与大能隙的出现提示可能存在具有Majorana费米子的拓扑超导态，尽管双通道模型也无法被排除。

ABSTRACT

We report point contact measurements in high quality single crystals of Cu0.2Bi2Se3. We observe three different kinds of spectra: (1) Andreev-reflection spectra, from which we infer a superconducting gap size of 0.6mV; (2) spectra with a large gap which closes above Tc at about 10K; and (3) tunneling-like spectra with zero-bias conductance peaks. These tunneling spectra show a very large gap of ~2meV (2Delta/KTc ~ 14).

研究动机与目标

• 探测超导Cu₀.₂Bi₂Se₃单晶的配对对称性与拓扑特性。
• 确定Cu₀.₂Bi₂Se₃是否表现出与拓扑超导体行为一致的非传统超导性。
• 研究点接触测量中观测到的零偏压电导峰（ZBCPs）与大超导能隙的起源。
• 评估该体系中通过表面Andreev束缚态可能实现Majorana费米子存在的可能性。

提出的方法

• 使用金针在高质量Cu₀.₂Bi₂Se₃单晶的解理(001)表面进行点接触谱学测量。
• 在1.8 K下采用四探针锁相技术测量微分电导，以探测超导能隙结构。
• 利用BTK模型分析Andreev反射谱，提取能隙大小与势垒透明度。
• 通过温度与磁场依赖性测量研究能隙演化及ZBCP的抑制行为。
• 将结果与ARPES及电阻率/SQUID数据进行对比，关联电子结构与体相超导性。
• 评估ZBCP的多种可能解释，包括拓扑表面态与两条并行导电通道。

实验结果

研究问题

• RQ1 Cu₀.₂Bi₂Se₃中的超导配对对称性是什么？其是否表现出非传统特性？
• RQ2 观测到的零偏压电导峰（ZBCPs）是否源于拓扑表面Andreev束缚态，或其他机制？
• RQ3 在Tc（约10 K）以上仍存在的大超导能隙（2–5 meV）的起源是什么？
• RQ4 大能隙与Tc之比（2Δ/kBTc ≈ 14）能否由常规BCS理论解释，还是表明非传统配对？
• RQ5 是否存在通过发散的Andreev束缚态表明Cu₀.₂Bi₂Se₃中存在Majorana费米子的证据？

主要发现

• 点接触测量揭示了三种不同的谱线类型：具有0.6 mV能隙的Andreev反射、在10 K以下仍存在的大能隙特征，以及具有ZBCP的隧穿样谱线。
• 在2 T磁场下ZBCP被抑制，并在约2.1 K时完全消失，表明其具有非BCS型的温度依赖性。
• 2 meV的大能隙（2Δ/kBTc ≈ 14）与常规BCS超导性不一致，提示存在非传统配对。
• 谱线在±2 mV处的下陷表明存在极宽的超导能隙，其宽度与ZBCP相当，支持双通道导电模型。
• ARPES数据证实了铜插层引起的n型掺杂，使狄拉克点发生约180 meV的偏移，同时保持了拓扑表面态。
• 观测到的谱线与时间反演奇、宇称奇的拓扑超导体理论预测一致，后者可支持Majorana费米子的存在。