[論文レビュー] Pressure induced metallization and possible unconventional superconductivity in spin liquid $NaYbSe_{2}$

Zheng Zhang, Yunyu Yin+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2020

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、量子スピン液体基底状態を示す三角格子スピン液体NaYbSe₂において、圧力誘発金属化とおそらく非摂動的超伝導の可能性が報告されている。約20 GPaで、電荷ギャップが完全に閉じる前にTc ≈ 5.8 Kの超伝導相に遷移する。これはスピン液体と超伝導秩序の直接的な関連を示唆し、対称性の破れを伴わない。

ABSTRACT

Beyond the conventional electron pairing mediated by phonons, high-temperature superconductivity in cuprates is believed to stem from quantum spin liquid (QSL). The unconventional superconductivity by doping a spin liquid/Mott insulator, is a long-sought goal but a principal challenge in condensed matter physics because of the lack of an ideal QSL platform. Here we report the pressure induced metallization and possible unconventional superconductivity in $NaYbSe_{2}$, which belongs to a large and ideal family of triangular lattice spin liquid we revealed recently and is evidenced to possess a QSL ground state. The charge gap of NaYbSe2 is gradually reduced by applying pressures, and at ~20 GPa the crystal jumps into a superconducting (SC) phase with Tc ~ 5.8 K even before the insulating gap is completely closed. The metallization is confirmed by further high-pressure experiments but the sign of superconductivity is not well repeated. No symmetry breaking accompanies the SC transition, as indicated by X-ray diffraction and low-temperature Raman experiments under high pressures. This intrinsically connects QSL and SC phases, and suggests an unconventional superconductivity developed from QSL. We further observed the magnetic-field-tuned superconductor-insulator transition which is analogous to that found in the underdoped cuprate superconductor $La_{2-x}Sr_{x}CuO_{4}$. The study is expected to inspire interest in exploring new types of superconductors and sheds light into the intriguing physics from a spin liquid/Mott insulator to a superconductor.

研究の動機と目的

• 高圧下における量子スピン液体ホスト材料における超伝導の出現を調査すること。
• スピン液体基底状態を有するモット絶縁体が、圧力チューニングによって超伝導体に進化できるかどうかを特定すること。
• 超伝導相の性質を調査し、特にフォノン媒介ペアリングによって駆動されていない非摂動的性質であるかどうかを検討すること。
• 超伝導転移中に対称性の破れが観察されないことを検証し、非伝統的なペアリング機構を示唆すること。
• ドーピング不足の銅酸化物に類似した磁場チューニング型超伝導体-絶縁体転移を観察することによって、類似性を明らかにすること。

提案手法

• 電荷ギャップの進化を追跡し、金属化および超伝導転移を特定するために、高圧下での抵抗率測定を実施した。
• 超伝導相と併せて生じる構造的または対称性の破れ転移を検出するために、高圧下でのX線回折を用いた。
• 低温ラマン分光法を用いて、電子的および振動モードを調べ、対称性の破れやペアリングフラクチュエーションの兆候を探索した。
• 磁場依存性の超伝導転移を測定し、磁場チューニング型超伝導体-絶縁体転移を観察した。
• 確認された量子スピン液体基底状態と理想的な三角格子幾何学的構造を有するため、材料NaYbSe₂をモデル系として選定した。
• 圧力を立方体アンビルプレスを用いて印加し、~30 GPaまで、電気的および構造的測定をイン・スイットで実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NaYbSe₂のような量子スピン液体ホスト材料が、圧力誘発金属化および超伝導を示すことができるか？
• RQ2 対称性の破れが観察されないという事実から、NaYbSe₂の超伝導相が非摂動的であると示唆されるか？
• RQ3 NaYbSe₂の超伝導転移は、ドーピング不足の銅酸化物で観察される磁場チューニング型超伝導体-絶縁体転移に類似しているか？
• RQ4 電荷ギャップはどの圧力で閉じるのか？また、完全な金属化よりも先に超伝導はどのように出現するのか？
• RQ5 従来のフォノン媒介ペアリングが存在しない状況において、超伝導相のペアリング機構の性質は何か？

主な発見

• NaYbSe₂における電荷ギャップは圧力下で徐々に縮小し、約20 GPaで金属化が起こる。
• 約20 GPaでTc ≈ 5.8 Kの超伝導転移が観察され、絶縁ギャップが完全に閉じる前に発現する。
• X線回折および低温ラマン測定において、対称性の破れの証拠は得られず、非摂動的超伝導状態を支持する。
• 磁場チューニング型超伝導体-絶縁体転移が観察され、ドーピング不足のLa₂₋ₓSrₓCuO₄と類似している。
• 超伝導相はスピン液体ホストから直接出現するため、関連電子系における非摂動的超伝導への可能性ある道筋を示唆する。
• 繰り返し実験において超伝導転移が一貫して再現されないため、試料の品質や不純物に敏感である可能性がある。