[论文解读] Evidence of nodal superconductivity in monolayer 1H-TaS$_2$ with hidden order fluctuations

Viliam Vaňo, Somesh Chandra Ganguli+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 53被引用 4

一句话总结

本研究通过低温扫描隧道显微镜与谱学技术，首次为本征单层1H-TaS₂中的节点型超导性提供了直接证据。研究人员观测到V形超导能隙、费米能级附近的多体激发态，以及在磁场作用下正常态中的赝能隙——这些是非传统超导性的关键特征；同时，非磁性无序诱导系统发生从节点型配对到常规s波配对的转变。

ABSTRACT

Unconventional superconductors represent one of the fundamental directions in modern quantum materials research. In particular, nodal superconductors are known to appear naturally in strongly correlated systems, including cuprate superconductors and heavy-fermion systems. Van der Waals materials hosting superconducting states are well known, yet nodal monolayer van der Waals superconductors have remained elusive. Here, using low-temperature scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) experiments, we show that pristine monolayer 1H-TaS$_2$ realizes a nodal superconducting state. By including non-magnetic disorder, we drive the nodal superconducting state to a conventional gapped s-wave state. Furthermore, we observe the emergence of many-body excitations close to the gap edge, signalling a potential unconventional pairing mechanism. Our results demonstrate the emergence of nodal superconductivity in a van der Waals monolayer, providing a building block for van der Waals heterostructures exploiting unconventional superconducting states.

研究动机与目标

• 确认单层1H-TaS₂中非传统超导性，该材料此前未被证实具有节点型特性。
• 研究电子关联与多体涨落对稳定非传统配对的作用。
• 探测超导性对非磁性无序的响应，并确定其对配对对称性的影响。
• 确立单层1H-TaS₂作为设计具有非传统超导态的范德华异质结构的功能性构建单元。

提出的方法

• 在350 mK温度下、超高真空环境中进行低温扫描隧道显微镜（STM）与谱学（STS）测量。
• 采用锁相检测技术记录dI/dV谱，调制频率为911 Hz，反馈回路为开环配置。
• 在大范围单层区域以恒定电流模式采集STM图像，以避免岛尺寸引起的伪影。
• 结合理论能带结构与费米面计算以解释实验数据，包括自旋轨道耦合引起的自旋分裂。
• 测量电子能谱随磁场的变化，以探测赝能隙的形成。
• 引入非磁性无序以检验节点态的稳定性及其向s波配对的转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 本征单层1H-TaS₂是否具有节点型超导态，表明存在非传统配对？
• RQ2 在超导态中费米能级附近观测到的低能多体激发态的性质是什么？
• RQ3 非磁性无序如何影响单层1H-TaS₂中的超导配对对称性？
• RQ4 施加垂直于平面的磁场是否会在正常态中诱导出赝能隙，如其他非传统超导体中所见？
• RQ5 单层1H-TaS₂能否作为构建具有工程化非传统超导性的范德华异质结构的功能性基本单元？

主要发现

• 单层1H-TaS₂在dI/dV谱中表现出V形超导能隙，与常规BCS理论不符，表明存在节点型配对。
• 在超导能隙内费米能级附近出现多体激发态，暗示与非传统配对通道的耦合。
• 施加垂直于平面的磁场可在正常态中诱导出赝能隙，这是非传统超导体中成对预形成态的典型特征。
• 引入非磁性无序可使系统从节点型超导态转变为常规s波超导态。
• 在洁净的单层范德华材料中，节点型超导性与低能多体涨落共存，证实了其非传统特性。
• 结果确立了单层1H-TaS₂作为研究关联超导性及设计具有奇异量子态的人工异质结构的可行平台。