[論文レビュー] Low temperature specific heat of La_{3}Pd_{4}Ge_{4} with U_{3}Ni_{4}Si_{4}-type structure

S. Kasahara, Hiroki Fujii+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2007

Rare-earth and actinide compounds参考文献 31被引用数 11

ひとこと要約

本研究は、U₃Ni₄Si₄型構造を有する三元超伝導体La₃Pd₄Ge₄の低温比熱を、ThCr₂Si₂型化合物LaPd₂Ge₂と比較して調査した。比熱測定により、La₃Pd₄Ge₄では高い Sommerfeld 係数（γₙ = 27.0 mJ/mol·K²）と完全にギャップを開いた等方的超伝導性が特定され、Fermi準位における中程度の高い電子状態密度と、AlB₂型層に起因する構造的効果によるTcの増大を伴うフォノン媒介型BCS超伝導性であることが示された。

ABSTRACT

Low temperature specific heat has been investigated in a novel ternary superconductor La_{3}Pd_{4}Ge_{4} with an U_{3}Ni_{4}Si_{4}-type structure consisting of the alternating BaAl_{4} (ThCr_{2}Si_{2})- and AlB$_{2}$-type layers. A comparative study with the related ThCr_{2}Si_{2}-type superconductor LaPd_{2}Ge_{2}, one of the layers in La_{3}Pd_{4}Ge_{4}, is also presented. From the normal state specific heat, the Sommerfeld coefficient $γ_{n} = 27.0$ mJ/mol K^2 and the Debye temperature $Θ_{ m D}$ = 256 K are derived for the La_{3}Pd_{4}Ge_{4}, while those for the LaPd_{2}Ge_{2} are $γ_{n} =8.26$ mJ/mol K^2 and $Θ_{ m D}$ = 291 K. The La_{3}Pd_{4}Ge_{4} has moderately high electronic density of state at the Fermi level. Electronic contribution on the specific heat, $C_{ m el}$, in each compound is well described by the BCS behavior, suggesting that both of the La_{3}Pd_{4}Ge_{4} and the LaPd_{2}Ge_{2} have fully opened isotropic gap in the superconducting state.

研究の動機と目的

• 低温比熱測定を用いて、U₃Ni₄Si₄型構造を有するLa₃Pd₄Ge₄の超伝導特性を理解すること。
• La₃Pd₄Ge₄とThCr₂Si₂型超伝導体LaPd₂Ge₂の熱力学的挙動を比較し、超伝導性に及ぼす構造的要因を分離すること。
• 両化合物における超伝導ギャップの性質（等方的対nodal）およびFermi準位における電子状態密度を特定すること。
• AlB₂型層がU₃Ni₄Si₄型インタメタリック化合物におけるTcの向上と超伝導性の安定化に果たす役割を調査すること。

提案手法

• La₃Pd₄Ge₄およびLaPd₂Ge₂の板状多結晶試料を用い、0.4–5.0 Kの温度範囲で熱的リラクゼーション法を用いて低温比熱測定を実施した。
• 常温状態の比熱をフィッティングして、Sommerfeld係数（γₙ）およびDebye温度（ΘD）を抽出し、電子的および格子的寄与を評価した。
• 超伝導状態における電子比熱（Cel）を、完全にギャップを開いた超伝導体に特徴的な指数的温度依存性について分析した。
• 超伝導状態におけるSommerfeld係数（γs(H)）の磁場依存性を測定し、等方的ギャップとnodalギャップの対称性を区別した。
• データをBCS理論の予測と比較して、ギャップ構造および電子-フォノン結合定数の強さを評価した。
• X線回折を用いた構造解析により、La₃Pd₄Ge₄のU₃Ni₄Si₄型構造およびLaPd₂Ge₂の単相性が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 La₃Pd₄Ge₄におけるU₃Ni₄Si₄型構造は、ThCr₂Si₂型のLaPd₂Ge₂と比較して、Fermi準位における電子状態密度を高めているか？
• RQ2 La₃Pd₄Ge₄における超伝導ギャップの対称性は何か？等方的かnodal的か？
• RQ3 La₃Pd₄Ge₄における超伝導状態におけるSommerfeld係数（γs(H)）の磁場依存性は、等方的超伝導性とnodal超伝導性をどのように区別するか？
• RQ4 U₃Ni₄Si₄型構造の構造的特徴、特にAlB₂型層がTcの向上と超伝導性の安定化に寄与する要因は何か？
• RQ5 同一化学 stoichiometry を有する他のLn₃Pd₄Ge₄化合物（Ln = Y, Gd, Tbなど）は、同じ構造的組成を有するが超伝導性を示さないのはなぜか？

主な発見

• La₃Pd₄Ge₄の常温状態におけるSommerfeld係数はγₙ = 27.0 mJ/mol·K²であり、LaPd₂Ge₂の8.26 mJ/mol·K²と比較して顕著に高く、Fermi準位における中程度の高い電子状態密度を示している。
• La₃Pd₄Ge₄のDebye温度ΘDは256 Kであり、LaPd₂Ge₂の291 Kよりも低く、U₃Ni₄Si₄型化合物では格子が柔らかいことを示唆している。
• 両化合物の超伝導状態における電子比熱は、完全にギャップを開いた等方的ギャップに一致する指数的温度依存性を示している。
• 超伝導ギャップエネルギーΔ₀^expは、La₃Pd₄Ge₄で0.30 meV、LaPd₂Ge₂で0.15 meVであり、Cel(T)の指数的フィッティングから導出された。
• La₃Pd₄Ge₄における超伝導状態におけるSommerfeld係数（γs(H)）の磁場依存性はHに比例して線形に増加し、等方的BCS超伝導性およびストロベリー密度依存性に一致している。
• 線形なγs(H)依存性は、ノードギャップ行動（平方根依存性）を排除し、La₃Pd₄Ge₄が完全にギャップを開いた超伝導状態にあることを確認した。