[论文解读] Tunneling spectroscopy of few-monolayer NbSe$_2$ in high magnetic field: Ising protection and triplet superconductivity

Marko Kuzmanović, Tom Dvir+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究利用少层NbSe₂的高场隧穿谱学，展示了超越泡利极限的强鲁棒性超导性，归因于伊辛保护及简并自旋三重态超导性的出现（ESTS）。数据表明，双层NbSe₂中的超导能隙在磁场作用下持续存在至30 T，与标准伊辛理论不符，但可通过包含伊辛保护与单重态序参量通过面内磁场耦合的ESTS模型得到良好解释。

ABSTRACT

In conventional Bardeen-Cooper-Scrieffer (BCS) superconductors, Cooper pairs of electrons of opposite spin (i.e. singlet structure) form the ground state. Equal spin triplet pairs (ESTPs), as in superfluid $^3$He, are of great interest for superconducting spintronics and topological superconductivity, yet remain elusive. Recently, odd-parity ESTPs were predicted to arise in (few-)monolayer superconducting NbSe$_2$, from the non-colinearity between the out-of-plane Ising spin-orbit field (due to the lack of inversion symmetry in monolayer NbSe$_2$) and an applied in-plane magnetic field. These ESTPs couple to the singlet order parameter at finite field. Using van der Waals tunnel junctions, we perform spectroscopy of superconducting NbSe$_2$ flakes, of 2--25 monolayer thickness, measuring the quasiparticle density of states (DOS) as a function of applied in-plane magnetic field up to 33T. In flakes $\lesssim$ 15 monolayers thick the DOS has a single superconducting gap. In these thin samples, the magnetic field acts primarily on the spin (vs orbital) degree of freedom of the electrons, and superconductivity is further protected by the Ising field. The superconducting energy gap, extracted from our tunnelling spectra, decreases as a function of the applied magnetic field. However, in bilayer NbSe$_2$, close to the critical field (up to 30T, much larger than the Pauli limit), superconductivity appears to be more robust than expected from Ising protection alone. Our data can be explained by the above-mentioned ESTPs.

研究动机与目标

• 研究在高面内磁场下，少层NbSe₂中增强的超导临界场的起源。
• 确定伊辛自旋轨道耦合与等自旋三重态配对（ESTS）是否可解释观测到的超越泡利极限的鲁棒性。
• 区分具有伊辛保护的单重态超导与包含本征ESTS序参量的物理情景。
• 利用高达33 T的隧穿谱学数据，定量评估自旋轨道耦合与三重态配对的作用。
• 通过实验数据检验伊辛保护与阿布里科索夫-戈尔科夫型抑制的理论模型。

提出的方法

• 在厚度为2–25单层的机械剥离NbSe₂微小 flakes上制备范德华隧穿结。
• 通过高达33 T的磁场中隧穿谱学测量准粒子态密度（DOS）。
• 施加面内磁场以探测自旋轨道耦合与超导性的相互作用。
• 将测得的DOS拟合以提取超导能隙随磁场的变化，与伊辛和ESTS模型进行比较。
• 使用包含伊辛保护、阿布里科索夫-戈尔科夫理论及伊辛+ESTS耦合的理论模型解释数据。
• 在模型拟合中考虑了无序和谷间散射效应，误差棒通过拟合的统计分析获得。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅靠伊辛保护是否能解释在高面内磁场下少层NbSe₂中超导能隙的观测抑制？
• RQ2 双层NbSe₂中超导性在泡利极限之外的持续存在是否表明存在等自旋三重态配对？
• RQ3 在序参量中引入等自旋三重态分量后，与标准伊辛理论相比，对实验隧穿谱的拟合改善程度如何？
• RQ4 自旋轨道耦合强度与谷间散射在决定临界场行为中的作用是什么？
• RQ5 观测到的能隙磁场依赖性是否与通过面内磁场实现单重态-三重态耦合的微观机制一致？

主要发现

• 在厚度≤15单层的样品中，准粒子态密度显示单一超导能隙，且随面内磁场增加而减小。
• 双层NbSe₂中的超导能隙持续存在至约30 T，显著超过泡利极限，表明其鲁棒性远超标准伊辛保护机制。
• 数据与纯伊辛理论或阿布里科索夫-戈尔科夫模型均不一致，这些模型无法再现观测到的能隙演化，尤其是中间磁场区域的“线性”行为。
• 最佳拟合由同时包含伊辛保护与序参量中等自旋三重态分量的模型实现，其中双层样品的$E_{SO} = 9.62T_{cs}$，$T_{ct} = 0.05T_{cs}$。
• 提取的自旋轨道耦合能量$E_{SO}$与角分辨光电子能谱（ARPES）测量结果一致，表明双层NbSe₂中$E_{SO} ightarrow 14.45T_{cs}$（$T_{cs} = 2.6$ K），而六单层样品中$E_{SO} = 2.21T_{cs}$（$T_{cs} = 5.4$ K）。
• 仅包含单重态配对与K/K’–Γ耦合的理论模型无法拟合实验数据，进一步证实了三重态配对在定量描述中的必要性。