[论文解读] Surface superconductivity in the topological Weyl semimetal t-PtBi$_2$

Sebastian Schimmel, Yanina Fasano+11 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究利用扫描隧道显微镜与谱学（STM/STS）在较高温度（5 K）下揭示了拓扑外尔半金属 t-PtBi₂ 中的表面超导性。研究报道了空间分布不均的超导能隙，范围为 0–20 meV，其中最大的能隙出现在拓扑表面态上，表明 t-PtBi₂ 是在技术相关条件下（包括高达 12 T 的高临界磁场）实现本征拓扑超导性的理想候选材料。

ABSTRACT

The advancement of quantum computation is eager on generating fault tolerant qubits, and topological superconductivity is a very promising concept for reaching this goal. Early experimental achievements study hybrid systems as well as doped intrinsic topological or superconducting materials presenting the phenomena at very low temperatures. However, higher critical temperatures are indispensable for technological exploitation. Promising very recent angle-resolved photoemission spectroscopy results reveal that superconductivity of the type-I Weyl semimetal trigonal PtBi$_2$ (t-PtBi$_2$) is located at the Fermi arcs surface states which renders t-PtBi$_2$ a candidate for intrinsic topological superconductivity. Here we show, using scanning tunnelling microscopy and spectroscopy (STM/STS) that t-PtBi$_2$ presents surface superconductivity at elevated temperatures (5 K). The gap magnitude is elusive: it is spatially inhomogeneous and spans from 0 to 20 meV. In particular, the large gap value and the shape of the quasiparticle excitation spectrum resemble the phenomenology of high-Tc superconductors. To our knowledge, this is the largest superconducting gap so far measured in a topological material. Moreover, we show that the superconducting state at 5 K persists up to 12 T magnetic field. Thus, we show that t-PtBi2 is a prime candidate for intrinsic topological superconductivity at technologically relevant temperatures, fields and gap magnitudes.

研究动机与目标

• 研究拓扑外尔半金属 t-PtBi₂ 中超导性的起源与本质。
• 确定超导性是否为本征性质，并局限于表面态，特别是费米弧态。
• 在低温下测量超导能隙的大小及其空间不均匀性。
• 评估超导态在高磁场（最高达 12 T）下的稳定性。
• 通过识别本征拓扑超导性，评估 t-PtBi₂ 作为拓扑量子计算平台的潜力。

提出的方法

• 采用低温扫描隧道显微镜与谱学（STM/STS）探测原子尺度的局域电子结构及超导能隙。
• 聚焦于 t-PtBi₂ 晶体的表面区域，以分离出拓扑表面态（特别是费米弧）的贡献。
• 绘制了表面超导能隙的空间变化，揭示了从 0 到 20 meV 的不均匀性。
• 通过施加最高达 12 T 的外磁场测量临界磁场，以评估超导态的稳定性。
• 分析准粒子激发谱，与高温超导体的唯象理论进行比较。
• 将观测到的超导特征与已知的 t-PtBi₂ 拓扑表面态结构相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 t-PtBi₂ 中的超导性是否局限于拓扑表面态，特别是费米弧？
• RQ2 在 5 K 时，t-PtBi₂ 中超导能隙的大小及其空间分布如何？
• RQ3 在高磁场（最高达 12 T）下，t-PtBi₂ 中的超导态有多稳定？
• RQ4 所观测到的超导能隙大小和准粒子谱是否与高温超导体相似？
• RQ5 t-PtBi₂ 是否能实现适合在更高温度下实现容错量子计算的本征拓扑超导性？

主要发现

• t-PtBi₂ 中的超导性局限于表面态，最大超导能隙达 20 meV，为迄今报道的拓扑材料中最大值。
• 超导能隙在空间上不均匀，表面各处从 0 到 20 meV 不等，表明配对强度存在强烈的局域差异。
• 准粒子激发谱呈现出与高温超导体相似的特征，暗示了非常规配对机制的存在。
• 超导态可稳定维持至 12 T，表明其配对机制具有强鲁棒性，适用于高场应用。
• 在 5 K 下观测到的表面超导性，结合其拓扑表面态，使 t-PtBi₂ 成为本征拓扑超导性的领先候选材料。
• 这些结果确立了 t-PtBi₂ 作为在技术相关温度和磁场条件下实现拓扑量子比特的有前途平台。