[论文解读] Unexpected zero bias conductance peak on the topological semimetal Sb(111) with a single broken layer

Yau Chuen Yam|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 19被引用 2

一句话总结

本研究通过扫描隧道显微镜和准粒子干涉技术，揭示了锑（Sb）(111) 表面因层断裂而产生的零偏压电导峰（ZBCP）的平凡起源。该ZBCP源于接近范霍夫奇点的能带结构改变，而非马约拉纳费米子所致，强调在拓扑超导异质结构中必须排除此类平凡起源。

ABSTRACT

The signature of the long-sought Majorana fermion from a heterostructure of a superconductor and a topological material is the zero bias conductance peak (ZBCP). Topological semimetal Antimony is a good material in making such heterostructure. Since it is of a bilayer crystal structure, it is expected to be cleaved between bilayers. However, we found that on its cleaved surface there can be steps with step heights corresponding to the intrabilayer distance, indicating that there is a broken layer underneath. The dI/dV spectrum observed using scanning tunneling microscope on these abnormal steps are quite different from the usual Sb spectrum and there is a pronounced ZBCP. Using quasiparticle interference imaging, Landau level spectroscopy and density functional theory (DFT), we found that the ZBCP is originated from the changed band structure through van Hove singularity. This shows that when we try to probe the signature of Majorana fermion in the heterostructure, we need to make sure the ZBCP is not from this trivial origin due to the imperfectness of the topological material.

研究动机与目标

• 研究在具有层断裂的Sb(111)表面上观测到的意外零偏压电导峰（ZBCP）的起源。
• 确定在拓扑半金属Sb(111)中，ZBCP是否为马约拉纳费米子的特征信号，或仅为平凡电子效应。
• 考察表面缺陷（如层断裂）如何改变电子结构并导致ZBCP的形成。
• 区分候选拓扑量子器件材料中ZBCP的拓扑与平凡起源。

提出的方法

• 利用扫描隧道显微镜（STM）测量具有异常台阶边缘的Sb(111)表面的局域dI/dV谱。
• 采用准粒子干涉（QPI）成像技术，绘制动量空间中的电子结构并识别散射特征。
• 应用朗道能级光谱技术，分析在磁场下量子化的能级，以确认能带结构的改变。
• 通过密度泛函理论（DFT）计算，模拟具有层断裂的Sb(111)的电子结构，并重现观测到的ZBCP。
• 将实验测得的dI/dV谱与DFT预测的能带结构进行比较，将ZBCP与费米能级附近的范霍夫奇点关联起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有层断裂的Sb(111)表面上观测到的意外零偏压电导峰（ZBCP）是由什么引起的？
• RQ2 ZBCP是马约拉纳费米子的特征信号，还是表面缺陷引起的平凡效应？
• RQ3 层断裂的存在如何改变Sb(111)在费米能级附近的能带结构？
• RQ4 在修正后的能带结构中，范霍夫奇点在ZBCP形成过程中起到多大程度的贡献？
• RQ5 准粒子干涉与朗道能级光谱能否区分ZBCP的拓扑与平凡起源？

主要发现

• 在具有层断裂的Sb(111)上观测到的ZBCP并非马约拉纳费米子的信号，而是由表面缺陷引起的能带结构改变所致。
• 该ZBCP与层断裂诱导的范霍夫奇点相关，后者显著增强了费米能级附近的态密度。
• 准粒子干涉成像揭示了与层断裂附近修正能带结构一致的特征散射图案。
• 朗道能级光谱证实了费米能级附近存在平坦能带，支持了DFT对范霍夫奇点的预测。
• DFT计算表明，层断裂区域的层间间距变化导致了电子结构的显著重构。
• 本研究证明，平凡表面缺陷可能模拟出拓扑特征，因此在宣称探测到马约拉纳费米子之前，必须进行仔细的表征。