[論文レビュー] Enhanced Upper Critical Fields in a New Quasi-one-dimensional Superconductor Nb2PdxSe5

Seunghyun Khim, Bumsung Lee+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2013

Iron-based superconductors research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、新しい準一次元超伝導体Nb2PdxSe5において、Tc = 5.5 Kでの超伝導が報告されている。ここで、b方向に沿ったNb-Se鎖がb-c*電導性平面を形成する。この材料は、異常に高い上臨界磁場を示し、b方向では最大35 Tに達する。これはBCSパウリ限界を上回っており、低次元的電子構造に起因する強いスピン軌道結合またはマルチバンド効果を示唆している。

ABSTRACT

We report a discovery of superconductivity with Tc = 5.5 K in Nb2PdxSe5, in which one-dimensional (1D) Nb-Se chains existing along the b-direction hybridize each other to form the conducting b-c* plane. The magnetic susceptibility and specific heat data in both single- and poly-crystals show evidence of bulk superconductivity. The resistivity, Hall coefficient, and magneto-resistance data all indicate the presence of an energy scale T* = ~ 50 K, which becomes systematically lowered under hydrostatic pressure and competes with the stabilization of superconductivity. Combined with the band calculation results showing the Fermi surfaces with 1D character, we postulate that the energy scale T* is related to a formation of a density wave or a stabilization of low dimensional electronic structure. The zero temperature upper critical field, Hc2(0), of the single crystal is found to be 10.5, 35 and 22 T in the a', b and c*-directions, respectively. While the linearly increasing Hc2(T) for H // c* indicates the multi-band effect, Hc2(0) for H // b and c* are found to be much bigger than the BCS Pauli limiting field, 1.84 Tc ~ 9 T. The suppressed Pauli paramagnetic effect points to a possibility of the enhanced spin-orbit scattering related to the low dimensional electronic structure or the presence of heavy elements such as Pd.

研究の動機と目的

• 新規に合成された準一次元超伝導体Nb2PdxSe5の超伝導特性を調査すること。
• 観測された高い上臨界磁場がBCSパウリ限界を上回っているかどうかを特定し、非単純な対称性メカニズムの可能性を検討すること。
• 臨界温度T* ~ 50 Kの競合エネルギースケールの起源を解明すること。
• バンド計算による電子構造と輸送および熱力学的測定結果を関連付けること。
• スピン軌道結合および重い元素（Pd）が、パウリ反磁性限界効果を抑制する役割を果たすかどうかを評価すること。

提案手法

• 構造的および電子的特徴の同定を目的に、Nb2PdxSe5の単結晶および多結晶試料を合成した。
• 体積的超伝導性の確認のため、磁化率および比熱測定を実施した。
• 抵抗率、ホール係数、磁気抵抗率の測定により、T* ~ 50 Kのエネルギースケールを特定した。
• 結晶方位a', b, c*に沿った上臨界磁場Hc2(T)の温度および磁場依存性を決定した。
• フェルミ面のトポロジーを分析し、1次元的性質を確認するためのバンド構造計算を実施した。
• 実験的Hc2(0)値をBCSパウリ限界（1.84 × Tc）と比較し、スピン軌道結合またはマルチバンド効果に起因する偏差を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Nb2PdxSe5は体積的超伝導性を示すか？その転移温度Tcは何か？
• RQ2 b方向およびc*方向に沿った上臨界磁場Hc2(0)がなぜBCSパウリ限界（9 T）を上回っているのか？
• RQ3 抵抗率およびホール測定で観測されたエネルギースケールT* ~ 50 Kの起源は何か？
• RQ4 静水圧を加えると、T*と超伝導性の間の競合関係はどのように変化するか？
• RQ5 スピン軌道結合またはマルチバンド効果が、Hc2(0)の増大をどの程度説明できるか？

主な発見

• 単結晶および多結晶試料の両方で、磁化率および比熱測定により、Tc = 5.5 Kで超伝導性が確認された。
• 零温度における上臨界磁場Hc2(0)は、a'-方向で10.5 T、b方向で35 T、c*-方向で22 Tに達する。
• b方向およびc*方向のHc2(0)値は、BCSパウリ限界（1.84 × Tc ≈ 9 T）を上回っており、パウリ反磁性限界効果の抑制を示唆している。
• H // c*方向のHc2(T)の磁場依存性は直線的であることが判明し、マルチバンド超伝導メカニズムの可能性を示唆している。
• 抵抗率およびホールデータで観測されたエネルギースケールT* ~ 50 Kは、静水圧を加えると体系的に低下し、超伝導性と競合する。
• バンド構造計算により、一次元的性質を示すフェルミ面が存在することが確認され、T*が電荷密度波の形成または低次元的電子状態不安定性に関連しているという仮説を支持している。