Near-surface Superconductivity in Topological GaSb and Bi2Se3 Whiskers

Abstract

Близькоповерхнева надпровідність у топологічно цікавих напівпровідникових ниткоподібних кристалаї, таких як GaSb та Bi2Se3, залишається важливою темою для розуміння атипових механізмів спаровування та взаємодії квантових ефектів на нанорівні. Bi2Se3 займає особливе місце серед топологічних матеріалів завдяки сильній спін-орбітальній взаємодії та стійким поверхневим станам, що створюють умови для реалізації топологічної надпровідності, здатної підтримувати ферміони Майорани та нові квантові фази. Індукування надпровідності шляхом контрольованого легування або самоорганізованих гетероінтерфейсів відкриває практичний шлях без необхідності застосування високих зовнішніх тисків чи складного епітаксійного нашарування, хоча робочі умови все одно потребують кріогенних температур, характерних для низькотемпературних надпровідників. Никтоподібні кристали GaSb, леговані телуром, і Bi2Se3, леговані паладієм, отримані методом хімічного парового осадження та досліджені за температур до 1,5 K у магнітних полях до 14 Т. Залежності опору виявили різкий спад нижче 4,2 K для GaSb і нижче 5,3 K для Bi2Se3, що свідчить про часткові надпровідні переходи, ймовірно локалізовані поблизу поверхні кристалів. Верхнє критичне магнітне поле Bc(T), отримане з магнітоопорних даних, добре описується моделлю Гінзбурга–Ландау і дає довжини когерентності близько 1,7 нм для GaSb та 15 нм для Bi2Se3, що співвідноситься або навіть менше значень, характерних для високотемпературних надпровідників, вказуючи на нетривіальний характер спаровування або посилений вплив спінорбітальної взаємодії. Наявність коливань Шубнікова–де Гааза у вусиках GaSb підтверджує високу кристалічну якість та виключає аморфізацію як джерело ефекту. Перехід від слабкої антилокалізації до локалізації та чіткі ознаки взаємодії Кондо вказують на конкуренцію між надпровідним спаровуванням і квантовими процесами розсіювання. У легованих вусиках GaSb поблизу порогу металізолятор часткова локалізація носіїв та їх взаємодія з вільними електронами призводить до пригнічення куперівського спаровування при підвищенні температури. Таке співіснування часткової надпровідності, слабкої локалізації та поведінки Кондо демонструє складний баланс конкуруючих електронних кореляцій у цих низьковимірних системах. Отримані результати розширюють розуміння поверхнево-обмеженої надпровідності у топологічних і A3B5 напівпровідникових вусиках та створюють основу для інженерії гетероструктур, здатних підтримувати екзотичні надпровідні фази, перспективні для квантових пристроїв.

Near-surface superconductivity in topologically interesting semiconductor whiskers such as GaSb and Bi2Se3 remains an important topic for understanding unconventional pairing mechanisms and the interplay of quantum effects at the nanoscale. Bi2Se3 occupies a special place among topological materials due to its strong spin-orbit interaction and robust surface states, which create conditions for realizing topological superconductivity capable of supporting Majorana fermions and novel quantum phases. Inducing superconductivity through controlled doping or self-organized heterointerfaces provides a practical pathway without the need for extreme pressures or complex epitaxial layering, although operation still requires cryogenic temperatures typical for low-Tc superconductors. GaSb whiskers doped with tellurium and Bi2Se3 whiskers doped with palladium were synthesized by chemical vapor deposition and examined at cryogenic temperatures down to 1.5 K under magnetic fields up to 14 T. Resistance measurements revealed a sharp drop below 4.2 K in GaSb and below 5.3 K in Bi2Se3, indicating partial superconducting transitions likely confined to the near-surface regions. The upper critical magnetic field Bc(T) derived from magnetorsistance data fits the Ginzburg–Landau model, yielding coherence lengths of about 1.7 nm for GaSb and 15 nm for Bi2Se3, values comparable to or smaller than those found in high-Tc superconductors, pointing to nontrivial pairing behavior or enhanced spin-orbit-driven mechanisms. Shubnikov-de Haas oscillations observed in GaSb whiskers confirm high crystalline quality and exclude amorphization as the origin of the effect. A transition from weak antilocalization to localization and clear signatures of the Kondo interaction indicate a competition between superconducting pairing and quantum scattering processes. In doped GaSb whiskers near the MIT, partial localization of carriers and their interaction with free electrons leads to suppression of Cooper pairing at elevated temperatures. This coexistence of partial superconductivity, weak localization, and Kondo behavior demonstrates the complex balance of competing electronic correlations in these low-dimensional systems. Such findings expand the understanding of surface-limited superconductivity in topological and A3B5 semiconductor whiskers and provide a foundation for engineering heterostructures capable of hosting exotic superconducting phases useful for quantum devices.