[论文解读] Proximity-Induced Superconductivity with Subgap Anomaly in Type II Weyl Semi-Metal WTe2

Qiao Li, He, Chaocheng+17 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2018

2D Materials and Applications被引用 3

一句话总结

本研究通过WTe2与NbSe2形成的范德华异质结，在类型II外尔半金属WTe2的薄纳米片中实现了近邻诱导的超导性，揭示了沿c轴方向的长相干长度以及在超导-正常态转变过程中出现的异常亚能隙电阻振荡。理论建模证实，该亚能隙异常是WTe2超导态的本征特征，为其在拓扑量子计算中的应用提供了推进。

ABSTRACT

Due to the non-trivial topological band structure in type-II Weyl semimetal Tungsten ditelluride (WTe2), unconventional properties may emerge in its superconducting phase. While realizing intrinsic superconductivity has been challenging in the type-II Weyl semimetal WTe2, proximity effect may open an avenue for the realization of superconductivity. Here, we report the observation of proximity-induced superconductivity with a long coherence length along c axis in WTe2 thin flakes based on a WTe2/NbSe2 van der Waals heterostructure. Interestingly, we also observe anomalous oscillations of the differential resistance during the transition from superconducting to normal state. Theoretical calculations show excellent agreement with experimental results, revealing that such a sub-gap anomaly is the intrinsic property of WTe2 in superconducting state induced by the proximity effect. Our findings enrich the understanding of superconducting phase of type-II Weyl semimetals, and pave the way for their future applications in topological quantum computing.

研究动机与目标

• 探索具有非平凡拓扑能带结构的类型II外尔半金属WTe2中的超导性质。
• 通过范德华异质结中的近邻效应，克服在WTe2中实现本征超导性的挑战。
• 研究在近邻耦合下，WTe2中非常规超导行为（尤其是亚能隙异常）的出现机制。
• 建立观测到的亚能隙振荡与WTe2在超导态下的本征电子结构之间的联系。
• 为WTe2在拓扑量子计算中的未来应用奠定基础。

提出的方法

• 利用机械剥离和转移技术制备WTe2/NbSe2范德华异质结。
• 测量WTe2纳米片的微分电阻，以探测超导转变并检测亚能隙异常。
• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）和理论建模分析能带结构及近邻诱导的超导性。
• 应用基于BCS的理论计算模拟近邻效应，并重现观测到的亚能隙振荡。
• 通过输运测量分析沿c轴方向的相干长度，并与理论预测进行比较。
• 将实验测得的电阻振荡与WTe2电子结构的拓扑特性相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过与NbSe2形成的范德华异质结，在WTe2薄纳米片中实现近邻诱导的超导性？
• RQ2 在WTe2的超导-正常态转变过程中观测到的异常亚能隙电阻振荡的性质与起源是什么？
• RQ3 WTe2中沿c轴方向的相干长度如何？其对超导配对对称性有何启示？
• RQ4 亚能隙异常是WTe2拓扑能带结构的结果，还是异质结界面的实验伪影？
• RQ5 观测到的现象能否由拓扑半金属中近邻诱导超导性的理论模型加以解释？

主要发现

• 通过范德华异质结中与NbSe2的耦合，成功在WTe2薄纳米片中实现了近邻诱导的超导性。
• 观测到沿c轴方向的长相干长度，表明强超导配对，具有实现拓扑超导性的潜力。
• 在超导-正常态转变过程中，亚能隙区域检测到微分电阻的异常振荡，这在常规超导体中并不常见。
• 理论计算与实验数据高度吻合，证实亚能隙异常是WTe2在超导态下的本征特性，源于近邻效应。
• 观测到的现象归因于WTe2非平凡拓扑能带结构与近邻诱导超导性的相互作用。
• 研究结果表明，WTe2是实现马约拉纳零模式并推动拓扑量子计算的有前途平台。