[论文解读] Fermiology and Superconductivity of Topological Surface States in PdTe$_2$

Oliver J. Clark, Matthew Neat+16 more|Tokyo Tech Research Repository (Tokyo Institute of Technology)|Dec 12, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用 9

一句话总结

本研究证明，本征PdTe₂中存在自旋极化的拓扑表面态，其费米面具有复杂的多谷结构，这是由于Te $p$-轨道的层间跃迁诱导能带反转所致；然而，扫描隧道 spectroscopy 表明其表现出常规的s波超导性，具有完全带隙、无节点的超导态，表明仅靠拓扑表面态不足以诱导拓扑超导性。

ABSTRACT

We study the low-energy surface electronic structure of the transition-metal dichalcogenide superconductor PdTe$_2$ by spin- and angle-resolved photoemission, scanning tunneling microscopy, and density-functional theory-based supercell calculations. Comparing PdTe$_2$ with its sister compound PtSe$_2$, we demonstrate how enhanced inter-layer hopping in the Te-based material drives a band inversion within the anti-bonding p-orbital manifold well above the Fermi level. We show how this mediates spin-polarised topological surface states which form rich multi-valley Fermi surfaces with complex spin textures. Scanning tunneling spectroscopy reveals type-II superconductivity at the surface, and moreover shows no evidence for an unconventional component of its superconducting order parameter, despite the presence of topological surface states.

研究动机与目标

• 研究本征PdTe₂中拓扑表面态与超导性的相互作用，该材料为Tc ≈ 1.7 K的体超导体。
• 确定PdTe₂中自旋极化的拓扑表面态是否存在导致非常规超导性（特别是自旋三重态配对）的倾向。
• 理解层间跃迁和能带反转在生成拓扑表面态中复杂多谷费米面中的作用。
• 澄清PdTe₂中的拓扑表面态是否可通过非常规超导配对支持马约拉纳零能模。

提出的方法

• 在APE光束线（Elettra）和I05光束线（Diamond Light Source）进行自旋分辨角分辨光电子能谱（spin-ARPES），以绘制表面电子结构和自旋纹理。
• 在40 mK下进行扫描隧道显微镜与谱学（STM/STS）测量，以探测超导能隙结构和涡旋核心态。
• 基于密度泛函理论（DFT）的超胞计算，以模拟电子能带结构并识别能带反转机制。
• 采用Dynes模型拟合微分电导谱，以提取超导能隙大小和相干性特征。
• 施加最高达1 T的磁场，测量上临界场和涡旋核心衰减长度，确认其为II类超导体。
• 在STM测量中使用超导探针，以排除零能束缚态的存在，并确认无能隙模。

实验结果

研究问题

• RQ1 PdTe₂中自旋极化的拓扑表面态是否会导致具有自旋三重态配对分量的非常规超导性？
• RQ2 层间跃迁在驱动能带反转并生成表面态中复杂多谷费米面的过程中起什么作用？
• RQ3 PdTe₂表面的超导态是否为完全带隙且无节点，与常规s波配对一致？
• RQ4 拓扑表面态能否与常规超导性共存而不诱导拓扑超导性或马约拉纳零能模？
• RQ5 PdTe₂中的表面超导性与体超导性质相比如何，特别是在上临界场和涡旋结构方面？

主要发现

• PdTe₂中存在自旋极化的拓扑表面态，其复杂的多谷费米面源于Te $p$-轨道的能带反转，该反转由增强的层间跃迁驱动。
• 自旋-ARPES和DFT计算证实表面态中存在丰富的自旋纹理，多个表面口袋穿过费米能级。
• STM/STS测量揭示了一个完全带隙、无节点的超导态，其超导能隙大小为Δ = 215 ± 2 μeV，与BCS理论一致。
• Δ/kBTc ≈ 1.5的比值与BCS理论预测高度吻合，表明为常规s波超导性。
• 即使在涡旋核心或使用超导探针的情况下，也未发现零能束缚态或能隙模的证据，从而排除了拓扑超导性的可能性。
• 表面表现出II类超导性，上临界场Hc2⊥ ≈ 20 mT，涡旋核心衰减长度为175 ± 67 nm，与BCS预期一致。