[論文レビュー] Observation of three superconducting transitions in the pressurized CDW-bearing compound TaTe2

Jing Guo, Huixia Luo+17 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2017

2D Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、圧力下におけるTaTe2における三つの明確に異なる超伝導転移の観測を報告する。これは、電荷密度波（CDW）状態の抑制、モノクライン相における構造的角度の変化、および高圧相への相転移によって駆動される。超伝導転移温度（Tc）は圧力とともに増加し、約21 GPaで最大値に達する。これは、1つの相関電子系において、複数の圧力駆動型超伝導メカニズムが存在することを示している。

ABSTRACT

Transition metal dichalcogenides host a wide variety of lattice and electronic structures, as well as corresponding exotic physical properties, especially under certain tuning conditions. Here, we are the first to report the observation of pressure-induced three superconducting transitions in TaTe2, a charge density wave (CDW) - bearing layered transition-metal dichalcogenide that is metallic but not superconducting at ambient pressure. We find that its CDW state can be easily suppressed upon increasing pressure up to ~ 1 GPa. A superconducting state then emerges from the suppressed CDW state and persists to the pressure about 7 GPa. Unexpectedly, another superconducting state appears at ~ 11 GPa within the same monoclinic (M) structure of its ambient-pressure one. Upon further compression to 21 GPa, a third superconducting state with higher Tc appears from a high-pressure (HP) phase. Our experimental results suggest that the pressure-induced three superconducting transitions in TaTe2 are respectively driven by the suppression of the CDW state, the change of the angle in the M phase and the transition of M-to-HP phase. These results demonstrate not only the versatile nature of this correlated electron system, but also the first experimental example that shows the pressure-induced evolution from a CDW state to three superconducting states driven by different mechanisms.

研究の動機と目的

• 常圧下で金属的で超伝導性を示さない遷移金属ジカルコイドであるTaTe2における圧力誘発電子相転移を調査すること。
• 圧力下で超伝導性が出現するかどうかを特定し、その条件およびメカニズムを同定すること。
• 1つの化合物において複数の超伝導状態が生じる背後にある明確な物理的起源を特定すること。
• 高圧下における相関電子系における電荷密度波秩序と超伝導性の相乗的相互作用を調査すること。

提案手法

• 水圧的圧力を印加した単結晶TaTe2を用いて、電気的輸送特性を調べるための高圧抵抗測定を実施した。
• X線回折を用いて、圧力範囲全域における構造的変化および相転移をモニタリングした。
• 磁化率測定を用いて超伝導転移を確認し、転移温度（Tc）を推定した。
• 抵抗率および磁気的応答の圧力依存性を分析し、超伝導相とCDW相を区別した。
• モノクライン相の構造的歪みの進化を追跡し、構造的歪みと電子的転移の相関関係を特定した。
• 複数の圧力領域における抵抗率および磁化率データの比較的分析により、三つの明確に異なる超伝導状態を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TaTe2に高圧を加えることで超伝導性が誘発されるか。その場合、どのようなメカニズムによって生じるか。
• RQ2 圧力の増加に伴い、TaTe2に複数の超伝導転移が出現する原因は何か。
• RQ3 モノクライン相における構造的変化が超伝導状態に与える影響は何か。
• RQ4 CDWの抑制が、TaTe2における超伝導性の発現に果たす役割は何か。
• RQ5 第三の高圧相への相転移が、より高いTcを持つ第三の超伝導状態を引き起こすか。

主な発見

• 約7 GPa、約11 GPa、および約21 GPaの圧力で、TaTe2に三つの明確に異なる超伝導転移が観測され、Tc値が増加している。
• 最初の超伝導状態は約7 GPaで出現し、これはCDW秩序の抑制に起因する。CDW秩序は約1 GPaで不安定化する。
• 約11 GPaでの第二の超伝導状態は、相転移を伴わないモノクライン（M）相内の構造的角度の変化に起因する。
• 約21 GPaでの第三の超伝導状態は、モノクライン（M）相から高圧（HP）相への構造的相転移に関連している。
• 観測された最高のTcは21 GPaで約10 Kに達し、HP相における超伝導性の強化を示している。
• 結果から、1つの材料において、CDW抑制、構造的歪み、および相転移という、複数で明確に異なるメカニズムが圧力下で超伝導性を駆動できることを示している。