Nat. Commun.：拓撲超導體界面上的非互易電荷傳輸

【研究背景】

近年來，非互易電荷傳輸測量作為一種新的檢測反向對稱性破碎系統的自旋分裂的方法得到發展。考慮到電子能帶結構具有自旋分裂的不對稱性，電阻系數預計會隨電流和磁場方向而變化。例如，在具有Rashba型自旋分裂材料(如大塊Rashba半導體、界面和TI表面)中，實驗檢測到非互易電阻。在垂直于電流的平面內磁場下，電阻的大小取決于與外部磁場平行或反平行的自旋堆積方向。因此，該方法可以作為角分辨光電子能譜(ARPES)和掃描隧道顯微鏡(STM)的替代方案，通過傳輸測量來討論自旋分裂的影響。此外，在手性納米管和過渡金屬雙鹵代烷等非中心對稱超導體中也存在非互易傳輸現象，表明該探針同樣適用于反轉對稱斷裂超導體的檢測。

【成果簡介】

近日，東京大學Kenji Yasuda教授團隊以Bi₂Te₃和FeTe界面的突發性超導為研究目標。當三維TI Bi₂Te₃生長在鐵基超導體場效應晶體管的母體化合物上時，界面超導性被誘發。由于拓撲表面狀態位于界面處，它們之間的相互作用使該系統成為TSC的有力候選者。然而，目前還不清楚自旋-動量鎖定的表面態如何影響超導性能。為了研究它們之間的相互作用，作者采用了非互易電荷傳輸。由于ARPES、STM等表面敏感方法不適用于這種掩埋界面，因此非互易傳輸對該系統尤為有效。大的非互易傳輸與Bi₂Te₃/FeTe的超導轉變有關，這揭示了由于自旋-動量鎖定引起的超電流密度的電流感應調制，代表了超導性和拓撲表面態之間的緊密聯系。該成果近日以題為“Nonreciprocal charge transport at topological insulator/superconductor interface”發表在知名期刊Nat. Commun.上。

【圖文導讀】

圖一：Bi₂Te₃/FeTe異質結中的非互易傳輸

（a）Bi₂Te₃/FeTe異質結的圖示。
（b）FeTe/CdTe，Bi₂Te₃/InP和Bi₂Te₃/FeTe/CdTe薄膜中電阻溫度依賴性。超導性和拓撲表面狀態出現在Bi₂Te₃和FeTe 之間的界面處，如黃色所示。
（c）面內磁場B?= 0,2,4,6,8,10,12和?14T下Bi₂Te₃/FeTe異質結構的電阻溫度依賴性。
（d）在T=12K和T=9.5K時Bi₂Te₃/FeTe異質結中R^2ω的磁場依賴性。

圖二：非互易傳輸的電流幅度和溫度依賴性

（a）二次諧波電阻對電流強度的依賴關系R^2ω在T = 9.5 K,和B = 0.5 K的數據。
（b）在T =9.5 K下I = 40, 80, 120, 160和200 μA時R^2ω的磁場依賴性。
（c）在T = 6.9, 7.2, 7.5, 7.8, 8.1, 8.5, 9, 9.5和10 K下I = 200 μA時R^2ω/R^ω的磁場依賴性。
（d）I = 200 μA時的電阻溫度依賴性。
（e）I = 200 μA時的γ值溫度依賴性。

圖三：高磁場下的非互易傳輸

（a）I= 200 μA時，在T = 9.5 K和T = 10 K下第一次諧波磁場依賴阻力R^ω。
（b）I= 200 μA時，在T = 9.5 K和T = 10 K下第二次諧波磁場依賴阻力R^2ω。
（c）I= 200 μA時，磁場強度和溫度在θ =90°時R^ω等高線。
（d）I= 200 μA時，磁場強度和溫度在θ =90°時R^2ω等高線。
（e）在I ?=200 μA下，面內磁場方向依賴的R^2ω在B?= 2 T和B= 9 T的xy平面測量。
（f）在I ?=200 μA下，面外磁場方向依賴的R^2ω在B?= 2 T和B= 9 T的zy平面測量。
（f）在I =200μA下測量的磁場平面中的R^2ω和θ= 70°時的溫度的等高線圖。

【小結】

Bi₂Te₃/FeTe的超導界面中的大的非互易電荷傳輸可以用作磁控超導二極管和低溫下的整流天線。非互易傳輸可以通過自旋-動量鎖定引起的超電流密度的調制來解釋，證明了超導性和拓撲表面狀態之間的緊密聯系。因此，將費米能級調節至表面狀態將使目前系統成為研究TSC和相關的馬約拉納費米子形成的理想平臺。非互易傳輸測量也適用于其他TSC候選材料，例如LaAlO₃/SrTiO₃界面，超導鄰近耦合Rashba線和拓撲表面等，這將有助于討論自旋分裂對超導性能的影響。與此同時，關于Bi2Te3/FeTe的獨立的ARPES研究，表明電荷從FeTe轉移到Bi₂Te₃會在空穴摻雜FeTe中誘導界面超導。界面超導電性對Bi₂Te₃的表面狀態產生了接近效應，這與本研究的內容一致。

文獻鏈接：Nonreciprocal charge transport at topological insulator/superconductor interface (Nature Communications 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-10658-3)

本文由大兵哥供稿。

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