[论文解读] Ising Superconductivity in Transition Metal Dichalcogenides

Noah F. Q. Yuan, Benjamin T. Zhou+2 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2016

2D Materials and Applications参考文献 7被引用 3

一句话总结

本文研究了单层过渡金属二硫属化物（TMDs）中的伊辛超导性，证明强自旋-轨道耦合可使电子自旋被锁定在垂直于平面的方向，从而实现异常高的平面内上临界磁场。作者表明，该机制可实现拓扑超导体的工程化，其可宿主马约拉纳费米子，对容错量子计算具有重要意义。

ABSTRACT

In this work, we review the results of several recent works on the experimental and theoretical studies of monolayer superconducting transition metal dichalcogenides (TMD) such as superconducting MoS2 and NbSe2. We show how the strong Ising spin-orbit coupling (SOC), a special type of SOC which pins electron spins to out-of-plane directions, can affect the superconducting properties of the materials. Particularly, we discuss how the in-plane upper critical fields of the materials can be strongly enhanced by Ising SOC and how TMD materials can be used to engineer topological superconductors and nodal topological superconductors which support Majorana fermions.

研究动机与目标

• 理解伊辛自旋-轨道耦合在单层TMD超导体（如MoS2和NbSe2）中的作用。
• 解释实验观测到的平面内上临界场超出泡利极限的原因。
• 探索TMD实现拓扑超导性和宿主马约拉纳费米子的潜力。
• 提供一个将强自旋-轨道耦合与二维材料中非传统超导性质联系起来的理论框架。

提出的方法

• 分析单层TMD的电子能带结构，以确定伊辛自旋-轨道耦合的起源。
• 使用受强自旋-轨道耦合修正的自旋单重态配对哈密顿量来建模超导态。
• 计算在平面磁场存在下的上临界场（Hc2），显示由于自旋锁定导致的增强。
• 评估在接近自旋三重态配对通道时，拓扑超导相可能出现的条件。
• 利用对称性分析和有效场论，识别节点型拓扑超导态的出现。
• 考虑界面效应及与磁性基底的临近在稳定马约拉纳零能模中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 单层TMD中的伊辛自旋-轨道耦合如何导致平面内上临界场增强？
• RQ2 强自旋-轨道耦合通过何种机制在平面磁场下稳定超导态？
• RQ3 在何种条件下，基于TMD的异质结构可宿主拓扑超导相？
• RQ4 能否在TMD中工程化节点型拓扑超导态以支持马约拉纳费米子？
• RQ5 表征这些体系中超导相的对称性保护拓扑不变量是什么？

主要发现

• 由于伊辛自旋-轨道耦合使电子自旋被锁定在垂直于平面的方向，单层TMD的平面内上临界场超过泡利极限，从而抑制自旋翻转散射。
• 强伊辛自旋-轨道耦合导致自旋分裂，保护超导态免受平面磁场的影响。
• TMD材料为工程化具有在涡旋核心处鲁棒马约拉纳零能模的拓扑超导体提供了平台。
• 当自旋-轨道耦合与超导配对被适当调节时，TMD异质结构中可出现节点型拓扑超导相。
• 理论分析证实，自旋-轨道锁定与s波配对的结合可导致具有非平庸陈数的拓扑超导相。
• 该模型预测，与磁性绝缘体或铁磁层临近可稳定TMD中的手性拓扑超导性。