[论文解读] Rotational Symmetry Breaking in a Trigonal superconductor Nb-doped Bi2Se3

Tomoya Asaba, Benjamin Lawson+8 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Mar 13, 2016

Iron-based superconductors research被引用 33

一句话总结

本研究通过直接实验观测到Nb掺杂Bi2Se3中自旋超导态的旋转对称性破缺，该材料为三角晶系拓扑超导体。利用扭矩磁测量技术，作者在磁滞回线中观测到主导的2重对称性，表明存在自发nematic序，并与3重晶格对称性强烈耦合。结果支持奇宇称拓扑超导态，其超导态为无能隙态且不具有线节点。

ABSTRACT

The search for unconventional superconductivity has been focused on materials with strong spin-orbit coupling and unique crystal lattices. Doped bismuth selenide (Bi$_2$Se$_3$) is a strong candidate given the topological insulator nature of the parent compound and its triangular lattice. The coupling between the physical properties in the superconducting state and its underlying crystal symmetry is a crucial test for unconventional superconductivity. In this paper, we report direct evidence that the superconducting magnetic response couples strongly to the underlying 3-fold crystal symmetry in the recently discovered superconductor with trigonal crystal structure, niobium (Nb)-doped bismuth selenide (Bi$_2$Se$_3$). More importantly, we observed that the magnetic response is greatly enhanced along one preferred direction spontaneously breaking the rotational symmetry. Instead of a simple 3-fold crystalline symmetry, the superconducting hysteresis loop shows dominating 2-fold and 4-fold symmetry. This observation confirms the breaking of the rotational symmetry and indicates the presence of nematic order in the superconducting ground state of Nb-doped Bi$_2$Se$_3$. Further, heat capacity measurements display an exponential decay in superconducting state and suggest that there is no line node in the superconducting gap. These observations provide strong evidence of odd-parity topological superconductivity.

研究动机与目标

• 研究Nb掺杂Bi2Se3中自旋超导磁响应与基础晶格对称性之间的相互作用。
• 确定该三角晶系超导体的超导基态中是否发生旋转对称性破缺。
• 通过测量热力学与磁各向异性，探究Nb掺杂Bi2Se3的配对对称性。
• 确立扭矩磁测量作为探测非传统超导体中nematic超导态的灵敏手段。

提出的方法

• 采用扭矩磁测量技术，测量不同磁场和角度下Nb掺杂Bi2Se3的面内磁各向异性。
• 测量磁扭矩 τ = μ₀V(M × H)，其中 M 为磁化强度，由自由能对 H 的导数推导得出。
• 利用超导磁滞回线的角依赖性提取对称性分量，将数据拟合为 A₀ + A₂φ sin(2φ - α) + A₄φ sin(4φ - β)。
• 进行比热测量以评估超导能隙结构并探测线节点。
• 在 Hc₂ 以上正常态进行对照测量，以分离出顺磁磁化率各向异性。
• 分析多个样品（包括样品 E）以确认结果的可重复性并排除几何效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 Nb掺杂Bi2Se3的超导态是否发生旋转对称性破缺？若发生，其破缺对称性的本质是什么？
• RQ2 磁滞回线中观测到的各向异性是否源于本征nematic序，还是外在样品几何形状？
• RQ3 3重晶格对称性与观测到的2重和4重磁各向异性之间存在何种关系？
• RQ4 根据比热测量结果，Nb掺杂Bi2Se3的超导能隙是否表现出线节点？
• RQ5 扭矩磁测量能否作为可靠热力学探针，用于探测非传统超导体中的nematic超导态？

主要发现

• 超导磁滞回线表现出主导的2重对称性，表明旋转对称性自发破缺及nematic序的存在。
• nematic序参数（A₂φ）在零磁场附近为首要项，且随磁场趋近上临界场（Hc₂）而消失。
• 4重对称分量（A₄φ）为次级项，证实观测到的对称性破缺并非单纯源于3重晶格结构。
• 比热测量显示超导态中呈现指数衰减，表明超导能隙中不存在线节点。
• 在多个Nb掺杂Bi2Se3样品中，观测到的nematic各向异性具有可重复性，证实其为超导态的本征性质。
• 在正常态（Hc₂以上），磁化率各向异性符合 sin(2φ) 依赖关系，与顺磁行为一致，确认背景信号的来源。