[论文解读] Time reversal symmetry breaking superconductivity in topological materials

Yunsheng Qiu, Kyle Nocona Sanders+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 29被引用 45

一句话总结

本研究证明，铌（Nb）掺杂可使拓扑绝缘体Bi2Se3转变为体相II类超导体，同时保持其狄拉克表面态。在3.2 K以下，通过超导性介导的宏观磁有序，观察到时间反演对称性的自发性破缺，导致零场霍尔效应，从而识别出一种具有自旋-旋转对称性破缺的新拓扑超导相。

ABSTRACT

Fascinating phenomena have been known to arise from the Dirac theory of relativistic quantum mechanics, which describes high energy particles having linear dispersion relations. Electrons in solids usually have non-relativistic dispersion relations but their quantum excitations can mimic relativistic effects. In topological insulators, electrons have both a linear dispersion relation, the Dirac behavior, on the surface and a non-relativistic energy dispersion in the bulk. Topological phases of matter have attracted much interest, particularly broken-symmetry phases in topological insulator materials. Here, we report by Nb doping that the topological insulator Bi2Se3 can be turned into a bulk type-II superconductor while the Dirac surface dispersion in the normal state is preserved. A macroscopic magnetic ordering appears below the superconducting critical temperature of 3.2 K indicating a spontaneous spin rotation symmetry breaking of the Nb magnetic moments. Even though such a magnetic order may appear at the edge of the superconductor, it is mediated by superconductivity and presents a novel phase of matter which gives rise to a zero-field Hall effect.

研究动机与目标

• 探索拓扑绝缘体中的对称性破缺相，特别是超导态中的时间反演对称性破缺。
• 研究拓扑材料中的超导性是否可与自发磁有序共存。
• 确定在对称性破缺的超导相中，狄拉克表面态是否保持完整。
• 识别由拓扑序与超导性相互作用产生的新型量子相。
• 探测零场霍尔效应的出现，作为时间反演对称性破缺的特征信号。

提出的方法

• 通过Nb掺杂诱导Bi2Se3的体相超导性，同时保持表面狄拉克态。
• 在3.2 K以下测量电输运和磁响应，以探测宏观磁有序。
• 利用量子输运测量观察零场霍尔效应，表明时间反演对称性破缺。
• 分析超导转变温度（Tc = 3.2 K）及其与磁有序的相关性。
• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）确认在超导态中狄拉克表面能带色散的保持。
• 对由超导配对介导的自旋-旋转对称性破缺进行理论建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 拓扑绝缘体中的超导性是否可与时间反演对称性的自发破缺共存？
• RQ2 Bi2Se3中Nb掺杂是否在超导相中保持狄拉克表面态色散？
• RQ3 在Tc = 3.2 K以下观察到的宏观磁有序的起源是什么？
• RQ4 在无外加磁场的情况下，零场霍尔效应如何产生？
• RQ5 超导性在介导自旋-旋转对称性破缺中起什么作用？

主要发现

• Nb掺杂Bi2Se3的超导转变温度（Tc）为3.2 K，由电阻率和磁化率测量确认。
• 在Tc以下出现宏观磁有序，表明时间反演对称性发生自发破缺。
• 狄拉克表面态色散在超导相中保持不变，经角分辨光电子能谱确认。
• 在Tc以下观察到稳定的零场霍尔效应，为时间反演对称性破缺提供了直接证据。
• 磁有序由超导性介导，表明存在一种新型拓扑超导相。
• 该体系表现出自旋-旋转对称性破缺，Nb磁矩形成自发有序态。