Science Bulletin:PbTaSe2拓撲表面態的向列超導電性

2020-12-03 騰訊網

海歸學者發起的公益學術平臺

分享信息，整合資源

交流學術，偶爾風月

凝聚態物理學中，自發對稱性破缺現象對於相變的研究往往具有非常重要的意義。超導相變通常與規範對稱性破缺相關，而其他類型對稱性破缺的出現，往往會誘導一些非常規超導電性，例如時間反演對稱性破缺和晶格旋轉對稱性破缺。

最近，來自浙江大學的研究團隊與日本東京大學，中科院物理所，浙江工業大學，復旦大學等單位合作，報導了在具有六角晶格結構的拓撲材料PbTaSe2的超導態中，觀測到電阻上臨界場和點接觸譜中具有的二重對稱現象。這種二重對稱性在塊體超導電性被抑制後依舊存在，並且一直持續到表面超導的上臨界場，意味著其可能是一種「僅存在於表面」的向列性超導。作為佐證，對塊體的平面內的磁場轉角比熱測量，並沒有觀測到超導態的六度晶格旋轉對稱性破缺現象。理論計算發現這種向列超導電性可能來源於PbTaSe2的拓撲表面態超導。這些發現，為揭示向列超導電性與非平庸拓撲性質的關係提供了新的視角。

諸如銅氧化物超導材料，鐵基超導材料和重費米子材料等一系列凝聚態物質，均呈現出奇異的電子向列序行為，其對稱性低於晶格的旋轉對稱性，這與液晶的向列性極其相似。另一方面，伴隨著拓撲絕緣體和拓撲半金屬的發現，拓撲超導體因為其在拓撲量子計算中的應用前景而吸引了眾多研究者的注意力。其中，拓撲超導候選材料CuxBi2Se3表現出晶格旋轉對稱性破缺，被認為與拓撲超導電性緊密相關。因此，在其他拓撲超導候選材料中尋找向列性超導尤為重要，它將有助於進一步研究向列性超導與能帶非平庸拓撲性質的關係。

人們已經發現非中心對稱超導材料PbTaSe2存在著狄拉克節點線及其自旋極化的拓撲表面態。作為一個純淨的化合物，PbTaSe2是一個非常合適的拓撲超導候選材料。最近，通過磁場轉角的電阻和點接觸譜測量手段，來自浙江大學的研究團隊發現，PbTaSe2的平面內電阻上臨界場以及點接觸譜都呈現出明顯的二重對稱性，並且一直持續到電阻上臨界場。由於體態的超導電性在比熱對應的上臨界場時已經被抑制，結合理論分析，他們推測PbTaSe2中觀測到的向列性超導很可能只與拓撲表面態超導有關。

圖1.（a）PbTaSe2磁場轉角的軟點接觸譜測量示意圖。（b）1.8 K時，不同磁場強度下點接觸的零偏壓電阻隨著平面內磁場方向的變化；（c）在1.8 K，0.3 T時，點接觸電導曲線隨著平面內磁場方向的三維等高圖；（d） 0.35 K時，在不同磁場下比熱隨著平面內磁場方向的變化，曲線有平移。

圖1（a）是磁場轉角下的軟點接觸譜技術，其中磁場方向始終在樣品的ab平面內。圖1（b）表示溫度在1.8 K時不同磁場強度下，零偏壓點接觸電阻（ZBR）隨著平面內磁場方向的變化。~1.0 T以下，可以看到ZBR明顯的啞鈴狀二重對稱行為，這表明超導能隙各向異性，且具有C2對稱性。通過在1.8 K，0.3 T時不同磁場方向點接觸電導曲線G(V)的三維等值線彩圖，可以發現安德列夫反射引起的電導峰寬度及強度也呈現出二重對稱的行為，其結果如圖1（c）所示。當磁場沿著平行於Se-Se (Pb-Pb)的晶軸時，超導信號被平面內的磁場顯著減弱了，點接觸電導曲線G(V)的電導峰結構比較瘦弱，表明上臨界場的最小值是沿著晶軸方向。因此，這裡在超導態內觀測到的二重對稱行為表明，PbTaSe2中存在著因為晶格旋轉對稱性破缺而具有的向列性超導。

同時，他們注意到ZBR的二重對稱性強度隨著平面內磁場的增大，在0.2-0.4 T時達到最大，且一直持續到~0.8 T。考慮到PbTaSe2存在自旋極化的拓撲表面態，他們推測這種向列性超導可能與體態超導無關，僅僅起源於超導的拓撲表面態。而合作者們在平面內磁場轉角比熱測量中並沒有觀察到體態超導的各向異性行為，如圖1（d）所示。據他們所知，這可能是第一次在實驗上觀測到僅來自於表面的向列性超導。

來自PbTaSe2表面的向列性超導的起源還有待進一步的研究，但是他們的研究結果表明PbTaSe2作為一個純淨的化合物，可能是研究向列性超導與拓撲超導關係的理想材料體系。同時，合作者們也從理論上分析了PbTaSe2拓撲表面態形成超導後可能的庫伯對配對對稱性，並發現當A1和E超導配對態混合存在時，可以出現實驗中觀測到的向列性超導。具體內容請參見原文。

文章信息：

Tian Le, Yue Sun, Hui-Ke Jin, Liqiang Che, Lichang Yin, Guiming Pang, Chunqiang Xu, Lingxiao Zhao, Shunichiro Kittaka, Toshiro Sakakibara, Kazushige Machida, Raman Sankar, Huiqiu Yuan, Genfu Chen, Xiaofeng Xu, Shiyan Li, Yi Zhou, Xin Lu. Evidence for nematic superconductivity of topological surface states in PbTaSe2.Science Bulletin, 2020, 65(16):1349–1355; doi: 10.1016/j.scib.2020.04.039

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927320302644

相關焦點

  • 拓撲晶體絕緣體的拓撲超導電性研究獲得進展
    近日，李耀義特別研究員、賈金鋒教授研究團隊在拓撲晶體絕緣體Sn1-xPbxTe與超導體Pb形成的異質結中發現了超導拓撲晶體絕緣體存在拓撲超導電性的證據。圖3: 在Sn1-xPbxTe超導能隙內外的準粒子幹涉測量。拓撲超導體在體內具有全開的超導能隙，在表面具有無能隙的拓撲表面態。
  • 上海交大賈金鋒團隊在拓撲晶體絕緣體的拓撲超導電性研究再獲突破...
    近日，李耀義特別研究員、賈金鋒教授研究團隊在拓撲超導電性研究中再次獲得突破性進展。他們利用超導針尖觀測到拓撲晶體絕緣體Sn1-xPbxTe超導能隙內有多重的束縛態，這一發現為超導拓撲晶體絕緣體存在拓撲超導電性提供了非常有力的直接證據。
  • 南科大俞大鵬團隊發表狄拉克半金屬超導電性調控研究新進展
    在前期的工作中，研究團隊在基於拓撲半金屬Cd3As2的約瑟夫森結中發現體態和表面態傳導的超導電流對磁場的響應不同，通過施加面內磁場，可以有效地抑制體態傳導的超導電流，從而使得表面態超導電流佔據主導。另外研究團隊還觀測到了表面態軌道效應導致的超導電流的振蕩。
  • 物理所等揭示鐵基超導體超導渦旋中馬約拉納零能模的拓撲本質
    B 93, 115129 (2016))，研究團隊證明了高溫鐵基超導體FeTe0.55Se0.45中強拓撲絕緣體態與超導態可以共存，拓撲狄拉克表面態出現「自賦」的全能隙超導現象。高溫超導電性和拓撲能帶結合於單一材料有效避免了p波超導配對和異質結結構的困難，這為馬約拉納零能模的研究開闢了新天地。
  • 進展|拓撲半金屬WC表面沉積金屬薄膜誘導的界面超導
    長期以來，拓撲超導體因其在Majorana 費米子的研究和拓撲量子器件上的潛在應用受到了廣泛的關注。然而，本徵的拓撲超導材料非常罕見。近年來，理論和實驗研究表明：除本徵的拓撲超導材料之外，利用拓撲絕緣體和拓撲半金屬材料拓撲非平庸的能帶結構為實現拓撲超導電性提供了可能的途徑。多數研究組採用摻雜、高壓或通過近鄰效應等在拓撲絕緣體和拓撲半金屬中誘導出可能的拓撲超導。
  • 進展 | 在鐵磷基超導家族中發現馬約拉納零能模平臺
    2017年丁洪研究組與日本東京大學合作，利用超高分辨角分辨光電子能譜證實了FeTe0.55Se0.45單晶中拓撲表面態的存在（P.Zhang et al., Science 360, 182 (2018)）。
  • 進展|在鐵磷基超導家族中發現馬約拉納零能模平臺
    2017年丁洪研究組與日本東京大學合作，利用超高分辨角分辨光電子能譜證實了FeTe0.55Se0.45單晶中拓撲表面態的存在（P.Zhang et al., Science 360, 182 (2018)）。
  • 拓撲半金屬WC表面沉積金屬薄膜誘導的界面超導研究獲進展
    長期以來，拓撲超導體因其在Majorana 費米子的研究和拓撲量子器件上的潛在應用受到了廣泛的關注。然而，本徵的拓撲超導材料非常罕見。近年來，理論和實驗研究表明：除本徵的拓撲超導材料之外，利用拓撲絕緣體和拓撲半金屬材料拓撲非平庸的能帶結構為實現拓撲超導電性提供了可能的途徑。
  • 鄰家有鎳初長成——鎳氧超導
    超導電性物理的基本物理常識：(A) 無耗散環電流產生恆穩磁場。(B) 超導磁懸浮特性。(C) 庫珀對的簡單圖像，注意電子對自旋相反。(D) 超導弱連接和宏觀量子相干現象。(E) 伴隨超導電性的費米子結對向類玻色子轉變的進程，實現類玻色凝聚和超流態。
  • 取出拓撲絕緣體表面態
    utm_source=sciencenet&utm_ medium=display&utm_content=mpu&utm_campaign=JRCN_2_JG_sciencenet_npjquanmats_Independence 微信連結：https://mp.weixin.qq.com/s/
  • 實驗證實非簡單空間群拓撲絕緣體中的沙漏費米子 | 進展
    隨著拓撲能帶理論研究的不斷深入，湧現出形形色色的對稱性保護的拓撲量子物態，如拓撲絕緣體、拓撲半金屬、拓撲超導等等。這些拓撲態的一個重要特徵就是存在拓撲性保護的表面電子態，如強拓撲絕緣體中的狄拉克錐型色散的表面態、拓撲外爾半金屬中的非閉合費米弧表面態等等。人們利用角分辨光電子能譜（ARPES）已經從實驗上證實了兩類拓撲絕緣體，即時間反演對稱保護的強拓撲絕緣體和鏡面對稱保護的拓撲晶體絕緣體。
  • 合肥研究院等在單層1T』-WTe2體系中刪極電壓調控超導電性機理研究...
    近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心超導與關聯電子材料研究團隊、北京應用物理與計算數學研究所研究員張平，以及北京郵電大學博士楊巍等合作，在1T＇-WTe2體系中理論研究了刪極電壓調控超導電性的機理以及物性。
  • 量子材料科學中心在三維拓撲絕緣體表面態研究方面取得重要進展
    近日，北京大學量子材料科學中心劉海文、孫慶豐和謝心澄，與中心訪問學者蘇州大學江華，共同在三維拓撲絕緣體表面態研究方面取得重要進展，研究成果在線發表於7月24日的《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 113, 046805 (2014).]
  • 合肥研究院等在單層1T'-WTe2體系中刪極電壓調控超導電性機理研究...
    近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心超導與關聯電子材料研究團隊、北京應用物理與計算數學研究所研究員張平，以及北京郵電大學博士楊巍等合作，在1T'-WTe2體系中理論研究了刪極電壓調控超導電性的機理以及物性。相關研究成果發表在Physical Review Letters上。
  • 第二類外爾半金屬TaIrTe4:超導電性不在三維,在表面
    研究表明，TaIrTe4的Weyl點位於費米面以上約80 meV處，其超導能隙與電阻下降特徵共同證實，TaIrTe4單晶（無需摻雜或複雜加工工藝）具有超導電性。進一步，將樣品從30 μm剪薄至6 μm時，臨界電流幾乎不變；在矢量磁體嚴格的轉角實驗中，其臨界磁場隨角度的變化關係偏離三維特性，更符合二維特性。
  • 進展| 過渡金屬硫化物中伊辛超導電性研究取得新進展
    二維層狀過渡金屬硫化物MX2（M代表Mo，Nb，W；X代表S，Se，Te）中的強自旋－軌道耦合作用與結構的多樣性賦予這類材料許多新奇的物理性質，如在少數層1Td相的WTe2中觀測到量子自旋霍爾效應，在少數層2H相的MoS2與NbSe2中觀測到伊辛超導電性等。這些發現使得MX2材料成為當前凝聚態物理學和材料科學研究的一個熱點。
  • Science Advances：鈣鈦礦氧化物中預言光對拓撲聲子的調製
    尋找鈣鈦礦中的拓撲聲子，不僅可以探索這個傳統材料中新的物理性質，還能探索拓撲相和其他相(超導相、鐵電相、多鐵相等)之間的耦合，從而拓展鈣鈦礦的研究和應用前景。鈣鈦礦氧化物中拓撲聲子的發現不僅可以為相關材料中的超導、熱霍爾效應等輸運性質的理解提供新的研究平臺，也有可能實現可控拓撲量子態等新應用提供了材料平臺。
  • 一種新的量子材料--拓撲絕緣體
    圖：通過對Sb2Te3薄膜中朗道能級的系統研究(圖c)，首次證實了Sb2Te3表面態的準粒子壽命幾乎不受本徵替代缺陷的影響，只受電子相互作用影響(圖e)。這是由於拓撲表面態電子不同於普通導體中的載流子，具有獨特的螺旋自旋結構。同時，他們證實了Sb2Te3表面態具有接近完美的線性色散關係(圖d)，並確定其作為三維拓撲絕緣體的厚度極限為4層。
  • 物理所鐵基高溫超導體電子結構與超導能隙研究取得新進展
    2008年發現的鐵基超導體其超導轉變溫度最高可達55K，是繼1986年發現的銅氧化物高溫超導體之後發現的第二類新的高溫超導體系。它的發現，為高溫超導電性的研究開闢了一個新的方向。與銅氧化物高溫超導體的研究類似，鐵基超導體研究的核心問題是理解其高溫超導電性產生的機理。對材料電子結構的研究是理解材料的宏觀物理性質尤其是超導電性的關鍵。
  • 《Adv Mater》界面超導!拓撲半金屬碳化鎢單晶沉積
    論文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907970尋找拓撲超導體，是發現馬約拉納費米子和生成馬約拉納零模的關鍵步驟，它可以作為容錯量子計算的量子位。實現拓撲超導一般有兩種途徑。