[论文解读] Chiral superconductivity in the alternate stacking compound 4Hb-TaS$_2$

Amit Ribak, R. Majlin Skiff+7 more|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|Jan 1, 2019

2D Materials and Applications被引用 13

一句话总结

本研究在4Hb-TaS₂中识别出手性超导态，这是一种具有交替1H-TaS₂（超导相）和1T-TaS₂（莫特绝缘体/自旋液体候选相）层的范德华异质结构。通过μ子自旋松弛和角分辨光电子能谱（ARPES）实验，证明在Tc ≈ 2.7 K时时间反演对称性发生破缺，且在p+id配对态中具有陈数−3，确立其作为拓扑量子计算的有前途平台。

ABSTRACT

Layered van der Waals (vdW) materials are emerging as one of the most versatile directions in the field of quantum condensed matter physics. They allow an unprecedented control of electronic properties via stacking of different types of two-dimensional (2D) materials. A fascinating frontier, largely unexplored, is the stacking of strongly-correlated phases of matter in vdW materials. Here, we study 4Hb-TaS$_2$, which naturally realizes an alternating stacking of a Mott insulator, recently reported as a gapless spin-liquid candidate(1T-TaS$_2$), and a 2D superconductor (1H-TaS$_2$). This raises the question of how these two components affect each other. We find a superconducting ground state with a transition temperature of 2.7K, which is significantly elevated compared to the 2H polytype (Tc=0.7K). Strikingly, the superconducting state exhibits signatures of time-reversal-symmetry breaking abruptly appearing at the superconducting transition, which can be naturally explained by a chiral superconducting state.

研究动机与目标

• 研究具有相同化学组成的范德华异质结构中，超导性与强关联莫特绝缘相之间的相互作用。
• 确定1H-TaS₂层邻近无能隙自旋液体莫特绝缘体（1T-TaS₂）是否诱导出1H-TaS₂中的非传统超导态。
• 在4Hb-TaS₂中识别时间反演对称性破缺和手性超导态的特征。
• 通过陈数计算和序参量对称性分析，确立超导态的拓扑性质。

提出的方法

• 通过1%硒掺杂合成高质量的4Hb-TaS₂单晶，以稳定4Hb相。
• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）测量电子能带结构和费米面，揭示了2H-TaS₂与CDW重构1T-TaS₂能带的混合特征。
• 开展μ子自旋松弛（μSR）测量，检测超导转变温度下自发磁矩的产生，以探测时间反演对称性破缺。
• 构建包含自旋-轨道耦合及s/p/d波配对通道的Bogoliubov-de Gennes（BdG）哈密顿量，计算作为配对混合比α函数的陈数。
• 采用包含至第三近邻跃迁的紧束缚模型，模拟电子结构并计算超导序参量相位。
• 分析费米面上超导能隙函数的相位，识别出手性配对对称性（p+id）

实验结果

研究问题

• RQ1 1H-TaS₂超导层邻近1T-TaS₂莫特绝缘层是否诱导出手性超导态？
• RQ2 4Hb-TaS₂中超导序参量的对称性是什么？是否破缺时间反演对称性？
• RQ3 4Hb-TaS₂中的超导态是否可具有非零陈数，表明存在拓扑序？
• RQ4 非传统配对的微观起源是什么？是否由莫特绝缘体的自旋涨落介导？
• RQ5 p波与d波成分的混合比如何影响超导态中的拓扑不变量（陈数）？

主要发现

• 4Hb-TaS₂在Tc ≈ 2.7 K处表现出超导转变，显著高于2H多型相中观测到的0.7 K。
• μ子自旋松弛测量显示，自发磁矩在Tc处突然出现，为时间反演对称性破缺提供了直接证据。
• ARPES测量显示，能带结构为2H-TaS₂电子口袋与CDW重构1T-TaS₂能带的混合，后者向费米能级方向移动。
• 在BdG框架下的理论计算表明，纯p波配对（α = 1）时陈数𝒞 = −3，表明存在拓扑非平庸的手性超导态。
• 陈数对配对混合比α高度敏感，纯d波配对（α = 0）时𝒞 = 0，证实了超导态的手性特征。
• 结果表明，1T-TaS₂莫特绝缘层可能通过自旋涨落介导的配对机制，驱动1H-TaS₂层中观测到的手性p+id配对。