[论文解读] Magic angles and current-induced topology in twisted nodal superconductors

Pavel A. Volkov, Justin H. Wilson+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用 5

一句话总结

本文研究了节点型超导体的扭曲双层结构，证明了通过扭转及外部调控（电流、磁场、电压）可调节准粒子能谱。施加层间电流可诱导出具有量子化热霍尔效应和无能隙的中性边缘模式的拓扑超导相，而在魔角附近则出现时间反演对称性破缺的超导态。

ABSTRACT

Motivated by the recent achievements in the realization of strongly correlated and topological phases in twisted van der Waals heterostructures, we study the low-energy properties of a twisted bilayer of nodal superconductors. It is demonstrated that the spectrum of the superconducting Dirac quasiparticles close to the gap nodes is strongly renormalized by twisting and can be controlled with magnetic fields, current, or interlayer voltage. In particular, the application of an interlayer current transforms the system into a topological superconductor, opening a topological gap and resulting in a quantized thermal Hall effect with gapless, neutral edge modes. Close to the magic angle, where the Dirac velocity of the quasiparticles is found to vanish, a correlated superconducting state breaking time-reversal symmetry is shown to emerge. Estimates for a number of superconducting materials, such as cuprate, heavy fermion, and organic nodal superconductors, show that twisted bilayers of nodal superconductors can be readily realized with current experimental techniques.

研究动机与目标

• 探索扭曲双层节点型超导体的低能电子性质。
• 理解扭曲如何改变能隙节点附近狄拉克准粒子的能谱。
• 研究在外场调控（电流、磁场、电压）下拓扑超导性的出现机制。
• 识别时间反演对称性破缺超导态出现的条件，尤其是在魔角附近。
• 评估利用现有实验技术在已知超导材料中实现这些物相的可行性。

提出的方法

• 采用连续体方法建模扭曲节点型超导体的低能有效哈密顿量。
• 分析在扭转作用下准粒子能谱的变化，包括狄拉克速度的重正化与能隙结构。
• 施加外部层间电流以诱导拓扑相变。
• 利用对称性分析与拓扑不变量计算，识别拓扑能隙的出现。
• 评估热霍尔电导率，以探测中性边缘模式的存在。
• 估算临界参数（如扭转角、电流密度）在真实材料中产生可观测效应的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 扭转如何影响节点型超导体中狄拉克准粒子能谱？
• RQ2 层间电流是否能诱导出具有量子化热霍尔响应的拓扑超导相？
• RQ3 魔角在稳定关联性时间反演对称性破缺超导态中起什么作用？
• RQ4 在真实材料中实现这些拓扑相的实验可实现条件是什么？
• RQ5 磁场和层间电压如何进一步调控系统的拓扑与超导性质？

主要发现

• 层间电流诱导出具有体态能隙和无能隙中性边缘模式的拓扑超导相。
• 该系统表现出量子化的热霍尔电导率，表明存在拓扑序。
• 在魔角附近，准粒子的狄拉克速度趋于零，导致强关联的超导态。
• 在魔角附近的关联态中，时间反演对称性被破坏，这一结论由拓扑不变量证实。
• 理论估算表明，利用现有实验技术，铜氧化物、重费米子和有机节点型超导体的扭曲双层结构可被实验实现。
• 准粒子能谱可通过磁场、电流或层间电压高度调控，从而实现对拓扑与超导性质的动态控制。