[论文解读] Unconventional Superconducting Quantum Criticality in Monolayer WTe2

Tiancheng Song, Yanyu Jia+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2023

Quantum and electron transport phenomenaPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究通过超低温度下的能斯特测量，在单层WTe2中识别出一种非传统的超导量子临界点（QCP）。在转变温度以上的正常态中，观测到异常大的量子涨落和涡旋激发的增殖，其能斯特系数在零场下达到约4,100 μV/KT，且在临界掺杂以下突然消失——这一现象挑战了传统的量子相变模型，并暗示了不同有序相之间存在一种新型连续相变。

ABSTRACT

The superconductor to insulator or metal transition in two dimensions (2D) provides a valuable platform for studying continuous quantum phase transitions (QPTs) and critical phenomena. Distinct theoretical models, including both fermionic and bosonic localization scenarios, have been developed, but many questions remain unsettled despite decades of research. Extending Nernst experiments down to millikelvin temperatures, we uncover anomalous quantum fluctuations and identify an unconventional superconducting quantum critical point (QCP) in a gate-tuned excitonic quantum spin Hall insulator (QSHI), the monolayer tungsten ditelluride (WTe2). The observed vortex Nernst effect reveals singular superconducting fluctuations in the resistive normal state induced by magnetic fields or temperature, even well above the transition. Near the doping-induced QCP, the Nernst signal driven by quantum fluctuations is exceptionally large in the millikelvin regime, with a coefficient of ~ 4,100 uV/KT at zero magnetic field, an indication of the proliferation of vortices. Surprisingly, the Nernst signal abruptly disappears when the doping falls below the critical value, in striking conflict with conventional expectations. This series of phenomena, which have no prior analogue, call for careful examinations of the mechanism of the QCP, including the possibility of a continuous QPT between two distinct ordered phases in the monolayer. Our experiments open a new avenue for studying unconventional QPTs and quantum critical matter.

研究动机与目标

• 研究二维超导体中的量子相变，特别是接近超导-绝缘体或超导-金属相变时的行为。
• 探究单层WTe2中的量子临界性本质，该材料为栅压调控的激发子量子自旋霍尔绝缘体。
• 确定所观测到的量子涨落是否表明了不同有序相之间存在连续的量子相变。
• 通过识别二维系统中非普遍行为的存在，挑战传统的量子临界性理论模型。

提出的方法

• 对机械剥离的单层WTe2器件进行超低温度（毫开尔文）能斯特效应测量。
• 施加栅压以调节电子掺杂，使系统穿过量子临界点。
• 在超导转变温度以上的电阻性正常态中测量能斯特信号。
• 通过分析能斯特系数来量化无长程序条件下量子涨落与涡旋增殖的程度。
• 比较不同掺杂水平下能斯特信号的行为，尤其关注临界掺杂附近其突然消失的区域。
• 利用磁场与温度扫描，将量子涨落的贡献与经典效应分离。

实验结果

研究问题

• RQ1 单层WTe2中的量子临界点本质为何？其是否符合既有的费米子或玻色子局域化模型？
• RQ2 为何能斯特信号——作为量子涨落的指标——在临界掺杂以下突然消失，与传统预期相反？
• RQ3 在零场下观测到的极大能斯特系数（约4,100 μV/KT）是否可归因于正常态中的涡旋增殖？
• RQ4 系统是否表现出如异常行为所示的两个不同有序相之间的连续量子相变？
• RQ5 这种在二维体系中观测到的非传统超导量子临界性背后的机制是什么？

主要发现

• 在毫开尔文温区，单层WTe2中的能斯特信号在零磁场下达到异常高的值，约为4,100 μV/KT，表明存在强烈的量子涨落。
• 这些涨落持续存在于超导转变温度以上的电阻性正常态中，表明可能存在预形成库珀对或类似涡旋的激发。
• 当掺杂量低于临界值时，能斯特信号突然消失，该行为与传统量子临界模型不一致。
• 所观测现象暗示了两个不同有序相之间存在连续的量子相变，对现有理论框架构成挑战。
• 结果表明存在一种新型非传统超导量子临界性，无法用标准费米子或玻色子局域化理论解释。
• 这些发现为研究强电子关联二维系统中的量子临界物质开辟了新途径。