[论文解读] Direct visualization of the nematic superconductivity in Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$

Ran Tao, Yan, Ya-Jun+6 more|Kölner Universitäts PublikationsServer (Universität zu Köln)|Apr 24, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 16

一句话总结

本研究利用扫描隧道显微镜（STM）直接观测了Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$中的向列性超导态，揭示了磁场诱导的向列性序以及磁涡旋中的零偏置电导峰。关键发现是在面内磁场下观察到具有二重对称性的无节点Δ4x能隙结构，为奇-parity、向列性超导态提供了直接证据，与拓扑超导态一致。

ABSTRACT

Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$ hosts both topological surface states and bulk superconductivity. It has been identified recently as a topological superconductor (TSC) with an extraordinary nematic, i. e. C2-symmetric, superconducting state and odd-parity pairing. Here, using scanning tunneling microscopy (STM), we directly examine the response of the superconductivity of CuxBi2Se3 to magnetic field. Under out-of-plane fields, we discover elongated magnetic vortices hosting zero-bias conductance peaks consistent with the Majorana bound states expected in a TSC. Under in-plane fields, the average superconducting gap exhibits two-fold symmetry with field orientation; the long C2 symmetry axes are pinned to the dihedral mirror planes under B//=0.5 T but rotate slightly under B//=1.0 T. Moreover, a nodeless Δ4x gap structure is semi-quantitatively determined for the first time. Our data paint a microscopic picture of the nematic superconductivity in CuxBi2Se3 and pose strong constraints on theory.

研究动机与目标

• 直接探测Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$中超导性的本质，该材料是具有奇-parity配对的拓扑超导体候选材料。
• 研究在磁场存在下超导能隙的对称性与磁场依赖性。
• 确定所观测到的向列性序是否为本征的，并与拓扑超导态相关联。
• 为磁涡旋中马约拉纳束缚态的存在提供显微尺度证据。
• 通过直接实验观测，约束nematic超导态的理论模型。

提出的方法

• 采用低温扫描隧道显微镜（STM）对Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$的局域态密度进行成像。
• 施加垂直和平面内磁场，以探测超导态的响应。
• 在垂直磁场下测量磁涡旋中的零偏置电导峰，表明可能存在马约拉纳束缚态。
• 通过分析平面内磁场下能隙的方位依赖性，检测向列对称性。
• 利用对称性分析与能隙结构拟合，从STM数据中提取出无节点Δ4x能隙模式。
• 将实验结果与奇-parity、向列性超导态的理论预测进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$中的超导态在磁场下是否表现出向列性序？
• RQ2 是否在磁涡旋中观测到零偏置电导峰，如马约拉纳束缚态所预期？
• RQ3 Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$中超导能隙的对称性与磁场依赖性如何？
• RQ4 能否直接观测并量化无节点Δ4x能隙结构？
• RQ5 在不同平面内磁场下，向列性序如何与晶格取向对齐？

主要发现

• 在垂直磁场下，磁涡旋中存在零偏置电导峰，与马约拉纳束缚态的存在一致。
• 在平面内磁场下，超导能隙表现出二重对称性，C2对称轴在0.5 T时沿二面镜面方向对齐。
• 在1.0 T时，向列轴发生轻微旋转，表明磁场依赖的向列性序，可能与电子结构存在耦合。
• 首次半定量地确定了无节点Δ4x能隙结构，支持奇-parity配对对称性。
• 所观测到的向列性超导态与拓扑超导态一致，为理论模型提供了强有力的实验约束。
• 结果展示了Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$中向列性超导态的直接显微证据，解决了关于其配对对称性的长期争议。