[论文解读] Josephson Detection of Time Reversal Symmetry Broken Superconductivity in SnTe Nanowires

Christie J. Trimble, Ming Wei+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究通过约瑟夫森结测量，在SnTe纳米线的近邻诱导超导态中展示了时间反演对称性破缺，揭示了由非对角耦合与外部配对场竞争驱动的 $s\pm i s^\prime$ 超导态。关键证据包括临界电流的非对称性以及交流约瑟夫森效应中显著的二次谐波，证实了时间反演对称性破缺以及铁电畴壁对超电流输运的调控作用。

ABSTRACT

Exotic superconductors, such as high T$_C$, topological, and heavy-fermion superconductors, require phase sensitive measurements to determine the underlying pairing. Here we investigate the proximity-induced superconductivity in nanowires of SnTe, where an $s\pm is^{\prime}$ superconducting state is produced that lacks the time-reversal and valley-exchange symmetry of the parent SnTe. This effect, in conjunction with a ferroelectric distortion of the lattice at low temperatures, results in a marked alteration of the properties of Josephson junctions fabricated using SnTe nanowires. This work establishes the existence of a ferroelectric transition in SnTe nanowires and elucidates the role of ferroelectric domain walls on the flow of supercurrent through SnTe weak links. We detail two unique characteristics of these junctions: an asymmetric critical current in the DC Josephson effect and a prominent second harmonic in the AC Josephson effect. Each reveals the broken time-reversal symmetry in the junction. The novel $s\pm is^{\prime}$ superconductivity and the new Josephson effects can be used to investigate fractional vortices [1,2], topological superconductivity in multiband materials [3-5], and new types of Josephson-based devices in proximity-induced multiband and ferroelectric superconductors [6,7].

研究动机与目标

• 通过约瑟夫森结检测超导SnTe纳米线中的时间反演对称性破缺。
• 研究铁电畴壁在调制多带超导体中超电流输运中的作用。
• 确立SnTe纳米线中存在铁电相变及其对超导相位相干性的影响。
• 探索近邻诱导体系中多带超导性与对称性破缺之间的相互作用。

提出的方法

• 利用铝超导电极接触SnTe纳米线，通过约瑟夫森结的近邻效应诱导超导性。
• 采用原位低温透射电子显微镜（cryo-TEM）观测低温下的结构与电子相变。
• 测量直流与交流约瑟夫森效应，以探测超导能带之间的相位差。
• 分析电子衍射图样与晶格条纹，识别菱面体铁电结构域及其畴壁。
• 理论建模自由能：$ F(\theta_1,\theta_2) = J\cos(\theta_1 - \theta_2) + J'_1\cos(\theta_1) + J'_2\cos(\theta_2) $，其中 $ J $ 为非对角耦合，$ J' $ 为外部配对场强度。
• 将观测到的约瑟夫森效应与 $ J $ 和 $ J' $ 竞争导致的超导相位差倾角相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 SnTe纳米线中的近邻诱导超导态是否破缺时间反演对称性？能否通过约瑟夫森效应检测？
• RQ2 铁电畴壁在调制多带超导结中超电流输运方面起什么作用？
• RQ3 非对角耦合与外部配对场之间的竞争如何导致SnTe中形成 $ s\pm i s^\prime $ 超导态？
• RQ4 SnTe纳米线在80 K以下发生哪些结构与电子相变？它们如何与超导对称性破缺相关？
• RQ5 交流约瑟夫森效应中的二次谐波能否作为多带超导体中时间反演对称性破缺的直接标志？

主要发现

• 在80 K时确认了SnTe纳米线中的铁电相变，低于此温度出现畴壁，通过原位低温TEM观察为垂直于纳米线轴的暗条纹。
• 电子衍射图样在12 K时出现分裂，表明从立方对称转变为菱面体对称，存在两个由1.2°夹角分隔的铁电结构域。
• TEM图像中的暗条纹在电子束扫描下保持固定，证实其并非成像伪影，而是铁电畴壁。
• 约瑟夫森结表现出非对称临界电流，是超导态中时间反演对称性破缺的直接标志。
• 在交流约瑟夫森效应中观测到显著的二次谐波，证实了超导能带之间存在有限相位差。
• $ s\pm i s^\prime $ 超导态源于非对角耦合 $ J $ 与外部配对场 $ J' $ 的竞争，导致具有时间反演与谷-交换对称性破缺的倾角相位构型。