[論文レビュー] Evidence for nodal superconductivity in quasi-one-dimensional K$_2$Cr$_3$As$_3$

G. M. Pang, M. Smidman+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2015

Iron-based superconductors research参考文献 5被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、トンネルダイオードオシレーターを用いたロンドン浸透深度の測定により、準一次元的K₂Cr₃As₃におけるノード状超伝導の直接的実験的証拠を提供した。低温域（T ≪ Tc）におけるΔλ(T)の線形温度依存性は、超伝導ギャップ内に線状ノードが存在することを確認し、この新規なq1D超伝導体における非単純対称性のペアリングを示唆している。

ABSTRACT

The recent discovery of superconductivity in the quasi-one-dimensional compound K$_2$Cr$_3$As$_3$, which consists of double-walled tubes of [(Cr$_3$As$_3$)$^{2-}]^\infty$ that run along the c axis, has attracted immediate attention as a potential system for studying superconductors with reduced dimensionality. Here we report clear experimental evidence for the unconventional nature of the superconducting order parameter in K$_2$Cr$_3$As$_3$, by precisely measuring the temperature dependence of the change in the penetration depth $Δλ(T)$ using a tunnel diode oscillator. Linear behavior of $Δλ(T)$ is observed for $T\ll T_c$, instead of the exponential behavior of conventional superconductors, indicating that there are line nodes in the superconducting gap. This is strong evidence for unconventional behavior and may provide key information for identifying the pairing state of this novel superconductor.

研究の動機と目的

• 新しく発見された準一次元的超伝導体K₂Cr₃As₃における超伝導オーダーパラメータの性質を特定すること。
• その特異な上臨界磁場と低次元的構造を踏まえ、K₂Cr₃As₃における超伝導が非単純的であるかどうかを調査すること。
• 正確なロンドン浸透深度の測定を通じて、従来のBCS挙動と非単純的ノード状超伝導を区別すること。
• 観察されたΔλ(T)の線形T依存性が材料の固有の性質であるのか、サンプル品質や粒間結合に起因するアーティファクトであるのかを特定すること。

提案手法

• 多結晶K₂Cr₃As₃試料を用いて、トンネルダイオードオシレーター法によりロンドン浸透深度Δλ(T)の温度依存性を測定した。
• サンプル純度および超伝導転移の鋭さが及ぼす影響を評価するため、高品質および低品質のサンプルを用いて測定を実施した。
• ノードや不純物散乱を示す線形（n = 1）および非線形（n > 1）のべき乗則的依存性Δλ(T) ∼ T^nを区別するため、べき乗則の解析を実施した。
• 粉末試料および初期の単結晶測定結果と比較することで、ジョセフソン結合に起因する寄与を除外した。
• NMRデータにおけるヘーブル＝スリッター整合性ピークの不在が、非単純的ペアリングを裏付ける証拠として用いられた。
• 同構性のRb₂Cr₃As₃における超伝導流体密度の磁場依存性を評価し、ノード状挙動の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 K₂Cr₃As₃におけるロンドン浸透深度の温度依存性は、従来のBCS超伝導体が予測する指数関数的挙動から逸脱しているか？
• RQ2 低温域におけるΔλ(T)の観察された線形T依存性は、K₂Cr₃As₃の固有の性質であるのか、サンプルの不均一性や粒間結合に起因するアーティファクトであるのか？
• RQ3 低品質サンプルにおけるΔλ(T)のべき乗則的挙動は、不純物散乱の役割および線状ノードの存在に何を示唆するか？
• RQ4 NMRや上臨界磁場の異方性といった独立した測定により、K₂Cr₃As₃におけるノード状超伝導状態を確認できるか？
• RQ5 観察されたノード状ギャップ構造を踏まえると、K₂Cr₃As₃における超伝導ペアリングはスピン三重項かスピン一重項対称性と整合的か？

主な発見

• 高品質なK₂Cr₃As₃試料において、T ≪ Tc域でΔλ(T)の線形温度依存性が観察され、超伝導ギャップ内に線状ノードが存在することが示された。
• Δλ(T)の線形挙動は、複数の高品質試料で再現可能であり、超伝導転移が鋭い試料においても安定しており、これが材料の固有の性質であることが確認された。
• 低品質試料では、Δλ(T) ∼ T^n（n ≈ 2.4）のべき乗則的依存性を示し、不純物散乱下での線状ノードと整合的であった。
• NMR測定におけるヘーブル＝スリッター整合性ピークの不在が、K₂Cr₃As₃における非単純的超伝導をさらに裏付けた。
• 粉末試料および初期の単結晶データは、同様の線形Δλ(T)挙動を示し、粒間のジョセフソン結合による寄与は顕著でないことが示された。
• 同構性のRb₂Cr₃As₃における超伝導流体密度の磁場依存性が√H依存性を示すことは、ノード状超伝導と整合的であり、K₂Cr₃As₃の結果を裏付けた。