[论文解读] Point-contact Andreev reflection spectroscopy of candidate topological superconductor Cu0.25Bi2Se3

X. Chen, Chao Huan+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2012

Topological Materials and Phenomena参考文献 3被引用 10

一句话总结

本研究采用具有弹道特性的金针点接触Andreev反射谱学方法，研究Cu₀.₂₅Bi₂Se₃中的超导性质。在超导区域观测到一个稳健的零偏压电导峰（ZBCP），归因于拓扑表面Andreev束缚态，并表明具有Z = 10和Δ₀ = 0.32 meV的有效单带p波配对模型可定量解释ZBCP与微分电导极小值，支持该候选拓扑超导体中存在非常规、可能为p波的超导性。

ABSTRACT

We perform a point-contact Andreev reflection spectroscopic study of the topological superconducting material, Cu0.25Bi2Se3, in the ballistic regime using a normal-metal gold tip. We observe distinct point-contact spectra on the superconducting and non-superconducting regions of the crystal surface: the former shows a marked zero-bias conductance peak, indicative of unconventional superconductivity, while the latter exhibits a pseudogap-like feature. In both cases the measured differential conductance spectra exhibit a large linear background, preventing direct quantitative comparison with theory. We attribute this background to inelastic scattering at the tip-sample interface, and compare the background-subtracted spectra with a single-band p-wave model.

研究动机与目标

• 利用弹道点接触Andreev反射谱学研究候选拓扑超导体Cu₀.₂₅Bi₂Se₃中的配对对称性与超导能隙结构。
• 解决先前点接触谱中大线性背景的来源问题，该背景曾阻碍与理论的定量比较。
• 确定观测到的零偏压电导峰（ZBCP）是否源于非常规超导性（如p波配对），而非常规s波或其它散射机制。
• 检验单带p波模型在解释微分电导谱（尤其是ZBCP与能隙结构）方面的有效性。

提出的方法

• 在3He低温恒温器中，使用高纯度金针（直径<100 nm）对新鲜解理的Cu₀.₂₅Bi₂Se₃单晶进行点接触Andreev反射谱测量，具备磁场调控能力。
• 在多个表面位置测量微分电导（dI/dV）谱，以比较超导与非超导区域的差异。
• 识别出dI/dV谱中的线性背景源于针尖-样品界面的非弹性散射，与温度无关，且与超导性质无关。
• 通过背景扣除后的谱与理论模型进行比较，采用BTK形式化处理p波配对，参数为D₀ = 0.071，Δ₀ = 0.32 meV，Z = 10。
• 利用Yamashiro等人提出的p波模型的归一化电导σ(E)，结合费米-狄拉克统计与能量依赖透射率，计算理论隧道电导。
• 分析间隙参数Δ₀(T)的温度依赖性，发现其呈现线性T依赖关系，与BCS理论不一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 Cu₀.₂₅Bi₂Se₃点接触dI/dV谱中大线性背景的成因是什么？能否将其与本征超导特征分离？
• RQ2 观测到的超导区域中零偏压电导峰（ZBCP）是否指示非常规配对（如p波对称性）？
• RQ3 单带p波模型能否定量再现测量dI/dV谱的主要特征，包括ZBCP与极小值？
• RQ4 超导能隙的温度依赖性是否与常规s波BCS理论一致，或提示非常规配对？

主要发现

• 在Cu₀.₂₅Bi₂Se₃表面的超导区域中，观测到一个稳健的零偏压电导峰（ZBCP），表明存在midgap Andreev束缚态。
• dI/dV谱中的线性背景归因于针尖-样品界面的非弹性散射，而非超导性质，且与温度无关。
• 背景扣除后，实测谱与使用D₀ = 0.071，Δ₀ = 0.32 meV，Z = 10的单带p波配对模型具有极佳的定性一致性。
• 超导能隙参数Δ₀(T)表现出线性温度依赖关系，与常规BCS理论不一致，支持非常规配对。
• 在能隙边缘附近未观测到相干峰，而存在ZBCP，排除了常规s波隧道效应、无反射隧道效应及磁性/Kondo散射作为解释的可能性。
• 数据支持在Cu₀.₂₅Bi₂Se₃中存在由非常规、可能为p波的超导性导致的拓扑表面Andreev束缚态。