[論文レビュー] Nodeless superconductivity in the SnAs-based van der Waals type superconductor NaSn2As2

Erjian Cheng, Jingen Ni+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2018

Iron-based superconductors research被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、高品質なNaSn2As2単結晶の成長を報告し、以前に報告された値よりも0.3 K高い1.60 Kの超伝導転移温度を明らかにした。超低温熱伝導率測定により、残留線形項が無視できるほど小さい零磁場下での完全ギャップ、ノードなしの超伝導状態が確認され、s波対称性の強い示唆が得られた。抵抗率と比熱における193 Kの弱い異常は、電荷密度波不安定性の可能性を示唆しており、系内の孤立電子対に起因する可能性がある。

ABSTRACT

We grew the single crystals of the SnAs-based van der Waals (vdW)-type superconductor NaSn$_2$As$_2$ and systematically measured its resistivity, specific heat, and ultralow-temperature thermal conductivity. The superconducting transition temperature $T_c$ = 1.60 K of our single crystal is 0.3 K higher than that previously reported. A weak but intrinsic anomaly situated at 193 K is observed in both resistivity and specific heat, which likely arises from a charge-density-wave (CDW) instability. Ultralow-temperature thermal conductivity measurements reveal a fully-gapped superconducting state with a negligible residual linear term in zero magnetic field, and the field dependence of $κ_0 / T$ further suggests NaSn$_2$As$_2$ is an $s$-wave superconductor.

研究の動機と目的

• van der Waals超伝導体NaSn2As2の高品質単結晶を成長させ、正確な物性測定を実施すること。
• NaSn2As2における超伝導対称性を調査し、特にノードなしまたはノードありの挙動を特定すること。
• 輸送および熱力学的性質において以前報告のなかった193 K付近の異常の起源を解明すること。
• Sn2+イオンに存在する孤立電子対が、超伝導対称性に影響を及ぼすか、または電荷密度波のような競合秩序を誘発するかを同定すること。

提案手法

• Na:Sn:As = 1:10:2のストイキオメトリック比を用い、Snフラックス法によりNaSn2As2単結晶を合成。750 °Cで72時間アニール後、1.5 K/hの速度でゆっくり冷却した。
• 抵抗率、比熱、超低温熱伝導率をPPMSおよび3Heクライオスタットを用いて測定。熱伝導率は、インシチュウキャリブレーション済みのRuO2温度計を用いた標準的4線式定常状態法で行った。
• 熱伝導率は、κ₀/Tおよびκ₀(H)/Tの磁場依存性を用い、既知のs波およびノードあり超伝導体と比較することで、対称性を推定した。
• 磁場をab面に垂直に印加し、均一な磁場分布を確保するとともに、抵抗率および熱伝導率データからHc2を決定した。
• Wiedemann-Franz則を用いて常態熱伝導率を推定し、L₀ = 2.45 × 10⁻⁸ WΩK⁻²およびρ₀(0.12 T) = 60.3 μΩcmを用いた。
• 低温ホルダーを用いた透過型電子顕微鏡を用いたマイクロ構造解析により、結晶の品質および欠陥を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超低温温度での熱伝導率から、NaSn2As2における超伝導ギャップがノードなしまたはノードありであるかは？
• RQ2 抵抗率および比熱で観測された以前報告のなかった約193 Kの異常の起源は何か？
• RQ3 NaSn2As2におけるSn2+イオンの孤立電子対が、超伝導対称性に影響を及ぼすか、または競合秩序（例：電荷密度波）を誘発するか？
• RQ4 κ₀(H)/Tの磁場依存性から、NaSn2As2はクリーンなs波超伝導体か、ダーティーなs波超伝導体か？
• RQ5 超伝導性と193 Kの異常との相関が、電子構造および電子相関効果とどのように関係しているか？

主な発見

• 超伝導転移温度Tcは1.60 Kであり、以前報告の1.3 Kよりも0.3 K高い。
• 超低温熱伝導率測定により、零磁場下でのκ₀/Tに無視できるほど小さな残留線形項が観測され、完全ギャップ、ノードなしの超伝導状態であることが示された。
• κ₀(H)/Tの磁場依存性は、ダーティーs波超伝導体InBiと類似しており、ダーティー限界の挙動を示唆するが、フェルミ速度のデータ欠如により電子平均自由行程は特定できない。
• 磁場をab面に垂直に印加した場合、抵抗率および熱伝導率から得た上臨界磁場Hc2は0.14 Tであり、測定間で一貫性があることが確認された。
• 抵抗率および比熱の両方で193 Kに弱い異常が観測され、これは電荷密度波不安定性に起因する可能性があり、Sn2+イオンの孤立電子対と関連する可能性がある。
• 熱伝導率データは、ノードあり超伝導を否定しており、顕著な残留κ₀/Tが観測されず、d波やp波対称性と整合しない磁場依存性を示しており、s波対称性を強く支持する。