Nat. Commun.：拓扑超导体界面上的非互易电荷传输

【研究背景】

近年来，非互易电荷传输测量作为一种新的检测反向对称性破碎系统的自旋分裂的方法得到发展。考虑到电子能带结构具有自旋分裂的不对称性，电阻系数预计会随电流和磁场方向而变化。例如，在具有Rashba型自旋分裂材料(如大块Rashba半导体、界面和TI表面)中，实验检测到非互易电阻。在垂直于电流的平面内磁场下，电阻的大小取决于与外部磁场平行或反平行的自旋堆积方向。因此，该方法可以作为角分辨光电子能谱(ARPES)和扫描隧道显微镜(STM)的替代方案，通过传输测量来讨论自旋分裂的影响。此外，在手性纳米管和过渡金属双卤代烷等非中心对称超导体中也存在非互易传输现象，表明该探针同样适用于反转对称断裂超导体的检测。

【成果简介】

近日，东京大学Kenji Yasuda教授团队以Bi₂Te₃和FeTe界面的突发性超导为研究目标。当三维TI Bi₂Te₃生长在铁基超导体场效应晶体管的母体化合物上时，界面超导性被诱发。由于拓扑表面状态位于界面处，它们之间的相互作用使该系统成为TSC的有力候选者。然而，目前还不清楚自旋-动量锁定的表面态如何影响超导性能。为了研究它们之间的相互作用，作者采用了非互易电荷传输。由于ARPES、STM等表面敏感方法不适用于这种掩埋界面，因此非互易传输对该系统尤为有效。大的非互易传输与Bi₂Te₃/FeTe的超导转变有关，这揭示了由于自旋-动量锁定引起的超电流密度的电流感应调制，代表了超导性和拓扑表面态之间的紧密联系。该成果近日以题为“Nonreciprocal charge transport at topological insulator/superconductor interface”发表在知名期刊Nat. Commun.上。

【图文导读】

图一：Bi₂Te₃/FeTe异质结中的非互易传输

（a）Bi₂Te₃/FeTe异质结的图示。
（b）FeTe/CdTe，Bi₂Te₃/InP和Bi₂Te₃/FeTe/CdTe薄膜中电阻温度依赖性。超导性和拓扑表面状态出现在Bi₂Te₃和FeTe 之间的界面处，如黄色所示。
（c）面内磁场B = 0,2,4,6,8,10,12和 14T下Bi₂Te₃/FeTe异质结构的电阻温度依赖性。
（d）在T=12K和T=9.5K时Bi₂Te₃/FeTe异质结中R^2ω的磁场依赖性。

图二：非互易传输的电流幅度和温度依赖性

（a）二次谐波电阻对电流强度的依赖关系R^2ω在T = 9.5 K,和B = 0.5 K的数据。
（b）在T =9.5 K下I = 40, 80, 120, 160和200 μA时R^2ω的磁场依赖性。
（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时R^2ω/R^ω的磁场依赖性。
（d）I = 200 μA时的电阻温度依赖性。
（e）I = 200 μA时的γ值温度依赖性。

图三：高磁场下的非互易传输

（a）I= 200 μA时，在T = 9.5 K和T = 10 K下第一次谐波磁场依赖阻力R^ω。
（b）I= 200 μA时，在T = 9.5 K和T = 10 K下第二次谐波磁场依赖阻力R^2ω。
（c）I= 200 μA时，磁场强度和温度在θ =90°时R^ω等高线。
（d）I= 200 μA时，磁场强度和温度在θ =90°时R^2ω等高线。
（e）在I  =200 μA下，面内磁场方向依赖的R^2ω在B = 2 T和B= 9 T的xy平面测量。
（f）在I  =200 μA下，面外磁场方向依赖的R^2ω在B = 2 T和B= 9 T的zy平面测量。
（f）在I =200μA下测量的磁场平面中的R^2ω和θ= 70°时的温度的等高线图。

【小结】

Bi₂Te₃/FeTe的超导界面中的大的非互易电荷传输可以用作磁控超导二极管和低温下的整流天线。非互易传输可以通过自旋-动量锁定引起的超电流密度的调制来解释，证明了超导性和拓扑表面状态之间的紧密联系。因此，将费米能级调节至表面状态将使目前系统成为研究TSC和相关的马约拉纳费米子形成的理想平台。非互易传输测量也适用于其他TSC候选材料，例如LaAlO₃/SrTiO₃界面，超导邻近耦合Rashba线和拓扑表面等，这将有助于讨论自旋分裂对超导性能的影响。与此同时，关于Bi2Te3/FeTe的独立的ARPES研究，表明电荷从FeTe转移到Bi₂Te₃会在空穴掺杂FeTe中诱导界面超导。界面超导电性对Bi₂Te₃的表面状态产生了接近效应，这与本研究的内容一致。

文献链接：Nonreciprocal charge transport at topological insulator/superconductor interface(Nature Communications2019, DOI: 10.1038/s41467-019-10658-3)

本文由大兵哥供稿。

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