Experimentelle Signatur des topologischen Supraleiters

Es gibt verschiedene Kategorien von topologischen Supraleitern. Ich vermute, dass Sie sich auf die Zeitumkehr-Invarianten (Klasse DIII) in 2D oder 3D beziehen. Ja, es ist möglich, die Oberflächen-/Randzustände von topologischen 3D-/2D-Supraleitern von der Masse zu unterscheiden. Ich spreche nicht davon, eine komplizierte experimentelle Technik zu entwerfen, um den Beitrag von der Masse und der Oberfläche zu trennen; Wie sich herausstellt, brauchen sie keine Trennung! Die Volumen- und Oberflächenzustände sind auf sehr grundlegende Weise verschieden. Diese Aussage gilt nicht nur für topologische Supraleiter, sondern auch für topologische Isolatoren. Lassen Sie mich zunächst einige Bemerkungen zum Fall topologischer Isolatoren machen.

Ja, ein idealer topologischer Isolator ist in der Masse isolierend und an der Oberfläche/Kante leitend. Trotz der Existenz einer umfangreichen Liste von bis heute entdeckten topologischen (3D) -Bandisolatoren ist keiner von ihnen in der Masse isolierend! Der topologische Isolator Kondo SmB$_6$ist der einzige mit den Eigenschaften eines idealen topologischen Isolators; aber die Kondo-Lücke öffnet sich nur bei kryogenen Temperaturen ($\approx$4K). Dieses Beispiel ist also nicht „natürlich“ in dem Sinne, dass es nicht in einer topologischen Phase unter Umgebungsbedingungen existiert.

Der Grund, warum wir zwischen der Oberfläche (im 3D-Fall) und dem Volumenzustand eines topologischen Isolators unterscheiden können, selbst wenn das Volumen leitend ist, liegt darin, dass die Oberfläche das sogenannte „helikale Metall“ bildet. Die leitenden elektronischen Zustände in diesem helikalen Metall hybridisieren (oder mischen) nicht mit den leitenden Zuständen in der Masse; Stellen Sie sich dies mit der Analogie von zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten in einem Behälter vor. Das folgende Papier diskutiert im Detail, wie sich topologische Oberflächenzustände weigern, mit der Masse zu hybridisieren

Bohm-Jung Yang, Mohammad Saeed Bahramy und Naoto Nagaosa. „ Topologischer Schutz gebundener Zustände vor der Hybridisierung .“ Nature Communications 4 (2013): 1524. ( arXiv-Version )

Diese spiralförmigen Zustände, die ein elektronisches 2D-System an der Grenze eines 3D-Systems bilden, haben die Hälfte der Freiheitsgrade (DOF) eines äquivalenten reinen 2D-Systems; die andere Hälfte (DOF) befindet sich auf der anderen Oberfläche (siehe holografisches Prinzip). Infolgedessen kann keine Zeitumkehr-Symmetrie erhaltende Störung sie ausblenden. Mit anderen Worten, sie sind topologisch geschützt (aufgrund von Symmetrie). Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass ein Isolator, nur weil er topologisch trivial ist, nicht bedeutet, dass er keine Oberflächenzustände haben kann. Der einzige Unterschied besteht darin, dass diese Zustände zerstört werden können .

Bei topologischen Supraleitern sind die Oberflächenzustände jetzt noch exotischer. Die Oberflächen von 3D-zeitumkehrinvarianten topologischen Supraleitern beherbergen Majorana-Modi. Sie würden einen topologisch geschützten Dirac-Kegel genau wie einen topologischen 3D-Isolator auf der Oberfläche eines topologischen Supraleiters beobachten. Der einzige Unterschied besteht darin, dass dieser Dirac-Kegel die Dispersion von Majorana-Moden anstelle von Dirac-Fermionen darstellt und aufgrund der Teilchen-Loch-Symmetrie die Hälfte der Freiheitsgrade hat. Es gibt eine Menge Literatur da draußen, die Schemata zum experimentellen Nachweis dieser Majorana-Modi vorschlägt. Für den Fall von 3D-zeitumkehrinvarianten topologischen Supraleitern kenne ich jedoch nur zwei: Rastertunnelmikroskopie (STM) und winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (ARPES).

Satoshi Sasaki, M. Kriener, Kouji Segawa, Keiji Yada, Yukio Tanaka, Masatoshi Sato und Yoichi Ando. „ Topologische Supraleitung in Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$.“ Physical Review Letters 107 , No. 21 (2011): 217001. ( arXiv-Version )

Ein kleiner Disclaimer: Es wird immer noch viel darüber diskutiert, ob die Autoren des oben genannten Artikels den Majorana-Modus wirklich gesehen haben oder nicht. Überprüfen Sie zum Beispiel diesen Artikel, der die Behauptungen des oben genannten Papiers widerlegt:

Niv Levy, Tong Zhang, Jeonghoon Ha, Fred Sharifi, A. Alec Talin, Young Kuk und Joseph A. Stroscio. „ Experimentelle Beweise für$s$-Wellenpaarsymmetrie in supraleitendem Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$Einkristalle mit einem Rastertunnelmikroskop .” Physical Review Letters 110 , No. 11 (2013): 117001.
( arXiv-Version )

Alternativ können Sie anstelle der impulsintegrierten Zustandsdichte in STM den Dirac-Kegel der Majorana-Moden mit ARPES direkt „sehen“, da Sie die Bandstruktur direkt messen. Tatsächlich wurde die Existenz der ersten und zweiten Generation von topologischen 3D-Isolatoren mit genau dieser Technik identifiziert. Meines Wissens hat bisher niemand Majorana-Moden auf der Oberfläche eines topologischen Supraleiters mit ARPES beobachtet. Die Hauptgründe sind technischer Natur: Kühlfähigkeit, Energieauflösung, Mangel an stöchiometrisch stabiler (im Gegensatz zu Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$) Materialkandidaten, die zu atomar flachen Oberflächen gespalten werden können usw.

Abgesehen von zeitumkehrinvarianten topologischen Supraleitern ist eine breite Liste von Schemata zur Konstruktion topologischer Supraleiter und zur Erkennung ihrer Majorana-Modi in den folgenden (ausgezeichneten) Übersichtsartikeln zu sehen:

Jason Alicea. „ Neue Richtungen bei der Verfolgung von Majorana-Fermionen in Festkörpersystemen .“ Reports on Progress in Physics 75 , No. 7 (2012): 076501. ( arXiv-Version )

CWJ Beenakker, „ Suche nach Majorana-Fermionen in Supraleitern “. Annual Review of Condensed Matter Physics 4 , No. 1 (2013): 113-136. ( arXiv-Version )

Details (Fortsetzung aus dem Kommentarbereich unten)

Was das ZBCP betrifft, bin ich der Meinung, dass es mit STM (im Vergleich zum Transport) für 3D-Supraleiter (Klasse DIII) immer noch zuverlässiger ist. Für das von Kouwenhoven und anderen untersuchte System in den 1D-Rashba-Nanodrähten (Klasse D) ist die Situation viel mehrdeutiger. Der Transport ist viel heikler; es ist (offensichtlich) nicht so direkt wie STM oder ARPES. Die Diskrepanzen in den oben erwähnten STM-Studien entstehen (nach Meinung von Yoichi Ando und meiner Meinung nach), weil Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$ist sehr schwer zu verarbeiten. Seit Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$nicht stöchiometrisch stabil ist, diffundieren die Kupferatome des Dotierungsstoffs und bilden „Taschen“ aus supraleitenden und normalen (oder topologischen und nicht-topologischen) Bereichen (abhängig von der lokalen Dichte von Cu). Ando denkt, dass die beiden Studien verschiedene solche Regionen gemessen haben! Davon abgesehen weiß ich nicht, ob Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$ist topologisch, wenn das obige Problem nicht existiert hätte. Ich weise nur auf die Quelle der Verwirrung hin.

Ein paar Kommentare zu ARPES: Das ist das einzig Wahre! Sie können mit ARPES tatsächlich eine Rauchpistolenerkennung haben; immerhin sieht man die Majorana-Moden-Dispersion direkt. Der Grund, warum die Leute dies noch nicht gesehen haben, ist, wie ich bereits erwähnt habe, hauptsächlich technischer Natur. Zunächst einmal können die hochmodernen ARPES-Systeme in den Einsatz gehen$\approx$10K-Bereich. Die meisten Kandidaten für topologische Supraleiter haben$T_c$weit darunter (zB Halb-Heusler-Verbindungen und Heavy-Fermion-Supraleiter). Einige (laserbasierte) Systeme können bis auf 1,5 K heruntergehen. Es könnte scheinen, dass Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$(mit$T_c = 3.8$K) könnte perfekt sein. Aber es reicht nicht, nur darunter zu gehen$T_c$. Sie müssen die Temperatur weit unterschreiten, um die (supraleitenden) Lückenmerkmale klar zu sehen (dh wenn die Lücke groß genug ist); Die Lückengröße folgt ungefähr einem Potenzgesetz wie$\approx 1/T^2$unter$T_c$. Auch die Lücken vieler Kandidatenmaterialien sind sehr klein (im Vergleich zu topologischen Isolatorbandlücken). Konventionell synchrotronbasiertes ARPES ist das hochmoderne Werkzeug für die Durchführung von ARPES-Experimenten. In letzter Zeit wird jedoch laserbasiertes ARPES in Labors immer üblicher. Abgesehen von der Kompaktheit und dem deutlich geringeren Ressourcenverbrauch (sowohl Geld als auch Arbeitskraft) wird laserbasiertes ARPES immer beliebter, weil es „sauber“ ist. Schauen Sie sich dieses Bild an, um zu sehen, was ich damit meine:

Die Synchrotron-basierten ARPES-Systeme haben mehr „Saft“ (hohe Photonenenergien im Bereich von mehreren zehn eV) im Gegensatz zu den Laser-basierten (6-7 eV), aber sie haben eine sehr schlechte Auflösung. Eine gute Auflösung ist das, was wir wirklich brauchen, wenn wir die Merkmale der Majorana-Moden innerhalb der winzigen supraleitenden Lücke sehen wollen.

Einige Anmerkungen zu potentiellen Kandidaten für topologische Supraleiter: Abgesehen davon, dass sie sehr gute Kandidaten für topologische Isolatoren sind, werden einige der Halb-Heusler-Verbindungen bei sehr niedrigen Temperaturen (1–2 K) supraleitend. Zum Beispiel haben LaPtBi, YPtBi und LuPtBi$T_c$von 0,9 K, 0,77 K bzw. 1 K. Leider sind die bisher gezüchteten Proben dieser Materialien „felsenartig“ (im Gegensatz zu kristallin) und es ist sehr schwierig, sie zu spalten, um eine atomar flache Oberfläche zu erhalten, auf der ARPES durchgeführt werden kann. Schließlich leben die Majorana-Modi an der Oberfläche!

Um es kurz zu machen, ARPES kann uns Majorana-Modi mit rauchenden Pistolensignaturen liefern. Ich bin mir sicher, dass es auch andere clevere (indirekte) Wege gibt, um Signaturen mit rauchenden Waffen zu erhalten.