[論文レビュー] NbReSi: A Noncentrosymetric Superconductor with Large Upper Critical Field

Hang Su, Tian Shang+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2021

Rare-earth and actinide compounds参考文献 65被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、非中心対称化合物NbReSiに体積的超伝導が発見されたと報告している。電気的・磁気的・比熱測定から、大きな上臨界磁場µ0Hc2(0) ≈ 12.6 Tを示し、パウリ限界に近い完全ギャップを持つ超伝導状態が明らかになった。一方、バンド構造計算により顕著なスピン軌道結合起因のバンド分裂が確認された。

ABSTRACT

We report the discovery of superconductivity in noncentrosymmetric NbReSi, which crystallizes in a hexagonal ZrNiAl-type crystal structure with space group $P\bar{6}2m$ (No.~189). Bulk superconductivity, with $T_c$ = 6.5 K was characterized via electrical-resistivity, magnetization, and heat-capacity measurements. The low-temperature electronic specific heat suggests a fully gapped superconducting state in NbReSi, while a large upper critical field of $\mu_0H_\mathrm{c2}(0)$ $\sim$ 12.6 T is obtained, which is comparable to the weak-coupling Pauli limit. The electronic band-structure calculations show that the density of states at the Fermi level are dominated by Re and Nb $d$-orbitals, with a sizeable band splitting induced by the antisymmetric spin-orbit coupling. NbReSi represents another candidate material for revealing the puzzle of time-reversal symmetry breaking observed in some Re-based superconductors and its relation to the lack of inversion symmetry.

研究の動機と目的

• 非中心対称のNbReSiの超伝導特性を調査すること。ZrNiAl型の化合物であり、これまでに特性評価がなされていない。
• NbReSiが、完全ギャップ的またはノードを持つ非単純超伝導を示すかどうかを特定すること。
• 非対称スピン軌道結合（ASOC）が、大きな上臨界磁場を誘導する役割を果たすか、時間反転対称性の破れを引き起こす可能性を評価すること。
• Reを含む材料における非中心対称性、ASOC、超伝導ペアリングの相互作用を解明すること。

提案手法

• 多結晶NbReSi試料はアーク融解法により合成され、粉末X線回折（XRD）を用いてZrNiAl型構造（空間群P¯62m）の確認がなされた。
• 電気的抵抗率、磁化率、比熱測定はPPMSおよびMPMSシステムを用いて実施され、超伝導転移および臨界磁場の調査が行われた。
• 上臨界磁場Hc2は、磁場依存の磁化等温線から抽出され、Hc1は非線形磁化応答の始まりから決定された。
• 電子バンド構造計算は、VASPを用いた密度汎関数理論（DFT）とPBE汎関数を用いて実施され、フェルミ面およびスピン軌道結合効果の分析がなされた。
• ギンツブルグ＝ランドウ理論を適用して、コherence長および上臨界磁場を推定し、パウリ限界と比較した。
• ミュオンスピンリダクション（µSR）の結果は、類縁のReベース超伝導体に関する先行研究を参照して、時間反転対称性の破れの意義を位置づけるために用いられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NbReSiは超伝導を示すか？その転移温度Tcは何か？
• RQ2 電子比熱の測定結果から、NbReSiの超伝導状態は完全ギャップ的か、ノードを持つものか？
• RQ3 上臨界磁場Hc2の大きさは何か？パウリ限界を超えるか？
• RQ4 非対称スピン軌道結合（ASOC）は、観察された電子バンド分裂および超伝導特性にどの程度寄与しているか？
• RQ5 NbReSiに逆転対称性の欠如が、他のReベース超伝導体と同様に時間反転対称性の破れを引き起こすか？

主な発見

• NbReSiはTc = 6.5 Kで体積的超伝導転移を示し、零抵抗と磁化率の急激な低下によって確認された。
• Tc未満の電子比熱データは、ノードの証拠がない完全ギャップ的超伝導状態と整合的である。
• 上臨界磁場µ0Hc2(0)は12.6 Tに達し、弱結合パウリ限界に近づいており、強いスピン軌道結合効果を示唆している。
• バンド構造計算から、フェルミ面はReおよびNbのd軌道が支配的であり、非対称スピン軌道結合による顕著なバンド分裂が確認された。
• 結晶構造には逆転対称性がなく、NbおよびRe原子は非中心対称なサイトに配置されており、非単純ペアリングの可能性を支持する。
• 非中心対称系において大きなHc2値が観測されたことから、スピン三重項ペアリングや時間反転対称性の破れとの関連が示唆されるが、本研究ではその直接的証拠は得られなかった。