[論文レビュー] Distinct nodal and nematic superconducting phases in the 2D Ising superconductor NbSe2

Chang-Woo Cho, Jian Lyu+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2020

2D Materials and Applications参考文献 35被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、2次元NbSe2に二つの異なる超伝導相が存在することを明らかにした。一つは超伝導転移温度付近の六重対称性の節を持つ相であり、もう一つは低温での節なし二重対称性の相である。面内磁場の角度分解磁気抵抗測定を用いて、上臨界磁場（Hc2）の対称性が節を持つ状態から節なし状態に変化することを示し、結晶対称性に反する競合する超伝導チャネルによって駆動される非単純なネマチック超伝導状態であることを示した。これは結晶対称性に基づく予想をくつがえすものである。

ABSTRACT

Superconducting transition metal dichalcogenides like 2H-NbSe2 in their two-dimensional form (2D) exhibit a special form of Ising superconductivity in which the quasiparticle spins are firmly pinned in the direction perpendicular to the basal plane. This enables them to withstand exceptionally high magnetic fields far beyond the Pauli limit for superconductivity. We use field-angle-resolved magnetoresistance experiments for magnetic fields strictly rotated in the basal plane to investigate the dependence of the upper critical field (Hc2) on the orientation of the field in the plane. The field angle dependence of Hc2 directly reflects the symmetry of the superconducting order parameter. We observe a transformation from a six-fold nodal symmetry near Hc2(T) to a two-fold nodeless symmetry at lower temperatures. While the first phase agrees with theoretical predictions of a nodal topological superconducting phase, the observation of a second distinct superconducting phase with nodeless two-fold symmetry is unexpected and contradicts the crystalline symmetry. It may therefore be another example of an unconventional nematic superconducting phase besides doped superconducting Bi2Se3, and we demonstrate that in NbSe2 such a nematic state can indeed arise from the presence of several competing superconducting channels.

研究の動機と目的

• 面内磁場下における2次元NbSe2の超伝導オーダーパラメータの対称性を調査すること。
• 超伝導状態における予期しない節なし二重対称性の起源を理解すること。
• 競合する超伝導チャネルが、非単純なネマチック超伝導相を安定化させうるかどうかを特定すること。

提案手法

• 磁場を基底面内に厳密に回転させた角度分解磁気抵抗測定を実施する。
• 超伝導オーダーパラメータの対称性を調べるために、上臨界磁場（Hc2）を磁場の向きの関数として測定する。
• Hc2の角度依存性を分析し、節を持つと節のない超伝導状態を区別する。
• ノードありおよびノードなし超伝導相の理論予測と実験的Hc2の角度依存性を比較する。
• 温度依存測定を用いて、六重対称性のノードを持つ状態から二重対称性のノードなし状態への対称性の変化を追跡する。
• 対称性破れのネマチック状態の出現から、複数の競合する超伝導チャネルの存在を推論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元NbSe2において、上臨界磁場（Hc2）の角度依存性は温度に応じてどのように変化するか？
• RQ2 低温における超伝導オーダーパラメータの対称性は何か？ これは結晶対称性と一致するか？
• RQ3 観測された節なし二重対称性は、従来の超伝導メカニズムで説明可能か？ それとも非単純なネマチック相を示唆するか？
• RQ4 競合する超伝導チャネルは、ネマチック超伝導状態の安定化にどのような役割を果たすか？
• RQ5 観測されたネマチック超伝導相は、トポロジカルまたは非単純超伝導の理論的モデルと整合するか？

主な発見

• 上臨界磁場（Hc2）は、超伝導転移温度付近で理論的予測通り、六重対称性のノードを持つ。
• 低温ではHc2が節なし二重対称性に移行し、回転対称性が破壊された別個の超伝導相であることを示している。
• NbSe2の六重対称性の結晶構造を考慮すると、この節なし二重対称性は予想外であり、非単純なネマチック超伝導状態を示唆している。
• このネマチック相の出現は、複数の競合する超伝導チャネルの存在に起因するとされる。
• この対称性の破れは、系の結晶構造だけでは説明できず、超伝導体におけるネマチック性の新しいメカニズムを示唆している。
• 結果は、ドーピングされたBi2Se3とは類似しているが異なる、非単純なネマチック超伝導相がNbSe2に存在することを示す証拠となった。