[论文解读] LnPd$_{2}$Sn (Ln=Sc, Y, Lu) class of Heusler alloys for topological superconductivity

Peng‐Jie Guo, Jianfeng Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2018

Heusler alloys: electronic and magnetic properties被引用 5

一句话总结

本文提出，LnPd₂Sn（Ln=Sc, Y, Lu）Heusler合金因其非平庸的表面态穿过费米能级以及体相超导性，是本征拓扑超导体。通过第一性原理计算与对称性分析，研究表明这些表面的近邻诱导超导性可实现马约拉纳零能模，使这些化合物成为无需复杂异质结构或掺杂的拓扑量子计算的理想平台。

ABSTRACT

Based on the first-principles electronic structure calculations and the symmetry analysis, we predict that the topological superconductivity may occur on the surface of the LnPd$_{2}$Sn (Ln=Sc, Y, Lu) class of Heusler alloys. The calculated electronic band structure and topological invariant demonstrate that the LnPd$_{2}$Sn family is topologically nontrivial. The further slab calculations show that the nontrivial topological surface states of LnPd$_{2}$Sn exist within the bulk band gap and meanwhile they cross the Fermi level. Considering that the LnPd$_{2}$Sn class of compounds were all found experimentally to be superconducting at low temperature, the surface topological superconductivity is likely to be generated via the proximity effect. Thus the LnPd$_{2}$Sn class of compounds shall be a promising platform for exploring novel topological superconductivity and handling Majorana zero modes.

研究动机与目标

• 识别不依赖掺杂或人工异质结构的本征单相材料，以实现拓扑超导性。
• 通过避免拓扑绝缘体/超导体异质结构中常见的无序与界面效应，解决实现稳定马约拉纳零能模的挑战。
• 证明LnPd₂Sn（Ln=Sc, Y, Lu）满足本征拓扑超导性的全部四项标准：在弯曲费米面上表现出拓扑绝缘体行为、s波超导性、孤立的非平庸表面态，以及表面态穿过费米能级。
• 确立这些材料作为实验探索拓扑超导性与马约拉纳零能模的可行平台。

提出的方法

• 采用基于VASP软件包的投影缀加平面波（PAW）方法进行第一性原理电子结构计算。
• 交换关联泛函采用广义梯度近似（GGA-PBE），并在计算中包含自旋轨道耦合（SOC）。
• 通过力低于0.01 eV/Å的全结构弛豫，获得平衡晶格常数与原子位置。
• 采用10×10×10的k点网格对布里渊区进行采样，并使用高斯展宽（0.05 eV）以提高费米面分辨率。
• 构建含58个原子的超胞，真空层厚度为20 Å，以模拟（001）表面并分析拓扑表面态。
• 计算拓扑不变量，并通过投影体能带结构与表面态色散关系分析对称性保护的表面态。

实验结果

研究问题

• RQ1 LnPd₂Sn（Ln=Sc, Y, Lu）Heusler合金能否实现非平庸的拓扑表面态，使其穿过费米能级且与体相态分离？
• RQ2 这些化合物在低温下是否表现出本征s波超导性，从而实现近邻诱导的拓扑超导性？
• RQ3 由于立方对称性，拓扑表面超导性是否在多个晶面方向均稳定存在并可观测？
• RQ4 这些材料能否作为掺杂拓扑绝缘体或TI/SC异质结构的可行替代方案，用于实现马约拉纳零能模？
• RQ5 费米能级附近高密度态对促进这些体系中配对超导性的机制是什么？

主要发现

• LnPd₂Sn（Ln=Sc, Y, Lu）家族表现出非平庸的拓扑表面态，其穿过费米能级，并由时间反演对称性拓扑保护。
• 这些表面态与体相态分离，未与体带结构融合，经超胞计算与表面态映射结果证实。
• 所有三种化合物——ScPd₂Sn、YPd₂Sn与LuPd₂Sn——均经实验确认为超导体，其临界温度Tc分别为2.25 K、4.9 K与3.05 K。
• 费米能级附近较大的态密度由Lu、Pd与Sn原子共同贡献，增强了超导配对，并支持近邻诱导的拓扑超导性。
• 由于立方对称性，(100)、(010)与(001)表面均具有等价的非平庸拓扑表面态，可通过角分辨光电子能谱（ARPES）实现多方向实验探测。
• 该体系避免了异质结构中常见的无序与界面复杂性，为通过近邻效应实现稳定马约拉纳零能模提供了稳健平台。