[論文レビュー] Non-Fermi-Liquid Behavior of Superconducting SnH$_4$

I. A. Troyan, Dmitrii V. Semenok+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2023

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、高圧下の超伝導SnH4がノンフェルミ液体挙動を示し、Bloch-Grüneisen散乱からのずれと超伝導特性の磁場依存性が従来と異なることを報告します。また、超伝導ギャップと臨界場の挙動を定量化します。

ABSTRACT

We studied chemical interaction of Sn with H$_2$ by X-ray diffraction methods at pressures of 180-210 GPa. A previously unknown tetrahydride SnH$_4$ with a cubic structure (${fcc}$) exhibiting superconducting properties below ${T}$$_C$ = 72 K was obtained; the formation of a high molecular ${C2/m}$-SnH$_{14}$ superhydride and several lower hydrides, ${fcc}$ SnH$_2$ and ${C2}$-Sn$_{12}$H$_{18}$, was also detected. The temperature dependence of critical current density ${J}$$_C$(T) in SnH$_4$ yields the superconducting gap 2$Δ$(0) = 23 meV at 180 GPa. SnH$_4$ has unusual behavior in strong magnetic fields: ${B,T}$-linear dependences of magnetoresistance and the upper critical magnetic field ${B}$$_{C2}$(T) $\propto$ (${T}$$_C$ - ${T}$). The latter contradicts the Wertheimer-Helfand-Hohenberg model developed for conventional superconductors. Along with this, the temperature dependence of electrical resistance of ${fcc}$ SnH$_4$ in non-superconducting state exhibits a deviation from what is expected for phonon-mediated scattering described by the Bloch-Grüneisen model, and is beyond the framework of the Fermi liquid theory. Such anomalies occur for many superhydrides, making them much closer to cuprates than previously believed.

研究の動機と目的

• 極端な圧力（180–210 GPa）でSnとH2の化学反応を調べ、SnH4および関連水素化物を合成する。
• SnH4の超伝導特性（超伝導ギャップと臨界場を含む）を特徴づける。
• 輸送特性および磁性特性の温度・磁場依存性を調べ、フェルミ液体および従来の超伝導体モデルへの適合を評価する。
• SnH4および関連水素化物における標準的なフォノン媒介散乱および従来の超伝導理論からの逸脱を特定する。

提案手法

• 180–210 GPaでX線回折を実施し結晶構造と水素化物形成を同定する。
• V–I特性から臨界電流密度Jc(T)の温度依存性を測定し超伝導ギャップを抽出する。
• Talantsev–Tallonモデルを用いてV–Iデータから超伝導ギャップを決定する。
• 上部臨界場Bc2(T)と磁化抵抗の温度依存性を研究し従来のWerthamer–Helfand–Hohenberg期待値への適合を評価する。
• 正準状態の抵抗と温度の関係を分析し Bloch–Grüneisenおよびフェルミ液体期待値と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧下のSnH4は従来のBCS様超伝導性か、それともノンフェルミ液体挙動か。
• RQ2 約180 GPaでのSnH4の超伝導パラメータ（ギャップ、Tc、Bc2）はどのようで、圧力とともにどのように進化するか。
• RQ3 磁気抵抗、Jc(T)、Bc2(T)はSnH4で従来モデル（Bloch–Grüneisen、WHH）からどのように逸脱するか。
• RQ4 SnH4の正準状態の散乱の性質は何で、フェルミ液体理論と整合するかどうか。

主な発見

• 180–210 GPaで合成されたSnH4はTc = 72 Kを示し、180 GPaでの超伝導ギャップ2Δ(0) ≈ 23 meV。
• Bc2(T)はB,T線形挙動を示し、Bc2(T) ∝ (Tc − T)に従い、従来の超伝導体に対するWerthamer–Helfand–Hohenberg予測と矛盾する。
• 磁気抵抗は高磁場域でB線形依存を示す。
• 正準状態の抵抗率はBloch–Grüneisen期待値から外れており、標準的なフォノン媒介散乱を超えたノンフェルミ液体挙動を示す。
• SnH4（および関連する超水素化物）の観察された異常は、従来の超伝導体よりも銅酸塩様挙動に近い。
• 構造分析によりfcc SnH4が確認され、 studed 圧力下での高水素化物（SnH14）や他の組成と関連づけられた。