[論文レビュー] Pressure-induced Superconductivity in the Three-component Fermion Topological Semimetal Molybdenum Phosphide

Zhenhua Chi, Xuliang Chen+16 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 66被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、三成分フェルミオンを有するトポロジカル半金属であるモリブデンホスファイド（MoP）において、圧力誘発超伝導を示すことが実証された。臨界温度は27.6 GPaで2 Kから95.0 GPaで3.7 Kに上昇する。高圧電気的輸送測定、同期放射X線回折（XRD）、およびDFT計算により、60.6 GPaまでWeyl点および三重に簡約された点が維持されることを確認し、トポロジカル超伝導の研究に基盤を提供した。

ABSTRACT

Topological semimetal, a novel state of quantum matter hosting exotic emergent quantum phenomena dictated by the non-trivial band topology, has emerged as a new frontier in condensed-matter physics. Very recently, a coexistence of triply degenerate points of band crossing and Weyl points near the Fermi level was theoretically predicted and immediately experimentally verified in single crystalline molybdenum phosphide (MoP). Here we show in this material the high-pressure electronic transport and synchrotron X-ray diffraction (XRD) measurements, combined with density functional theory (DFT) calculations. We report the emergence of pressure-induced superconductivity in MoP with a critical temperature Tc of about 2 K at 27.6 GPa, rising to 3.7 K at the highest pressure of 95.0 GPa studied. No structural phase transitions is detected up to 60.6 GPa from the XRD. Meanwhile, the Weyl points and triply degenerate points topologically protected by the crystal symmetry are retained at high pressure as revealed by our DFT calculations. The coexistence of three-component fermion and superconductivity in heavily pressurized MoP offers an excellent platform to study the interplay between topological phase of matter and superconductivity.

研究の動機と目的

• モリブデンホスファイド（MoP）の高圧下における電子的応答を調査すること。
• Weyl点や三重に簡約された点のようなトポロジカル特徴が高圧下でも存続するかどうかを特定すること。
• 三成分フェルミオンを有するトポロジカル半金属において超伝導がどのように出現するかを調査すること。
• トポロジカル秩序と超伝導の相乗作用を研究するための基盤を確立すること。

提案手法

• 単結晶MoPにおける超伝導転移を検出するために、高圧電気的輸送測定が実施された。
• 60.6 GPaまで構造的変化および相転移をモニタリングするために、同期放射X線回折（XRD）が用いられた。
• 高圧下での電子バンド構造およびトポロジカル特徴を分析するために、密度汎関数理論（DFT）計算が用いられた。
• 輸送および回折測定に適した高品質な単結晶MoP試料を合成・特性評価した。
• 圧力を立方アンビルプレスを用いて、ヘリウムまたはネオンを圧力媒体として用いて印加した。
• 抵抗測定結果から、ハイドロスタット的圧力下での臨界温度（Tc）が抽出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MoPは高圧下で超伝導を示すのか。その臨界温度はいかほどか。
• RQ2 MoPにおけるトポロジカル特徴（Weyl点および三重に簡約された点）は、高圧下でも維持されるか。
• RQ3 MoPの結晶構造は60.6 GPaまでの圧力で相転移を示すか。
• RQ4 三成分フェルミオンと超伝導の共存が、MoPの電子的性質にどのように影響するか。
• RQ5 MoPは、トポロジカル超伝導を研究するための安定な基盤として機能できるか。

主な発見

• 27.6 GPaで2 Kの臨界温度を示す超伝導がMoPに出現し、95.0 GPaで3.7 Kに上昇する。
• 60.6 GPaまで同期放射XRDによる測定で、構造的相転移は検出されず、高圧下でも構造的安定性が示された。
• DFT計算により、高圧下でも電子バンド構造にWeyl点および三重に簡約された点が存続することが確認された。
• MoPにおけるトポロジカル特徴は結晶対称性によって保護され、極限的圧力下でも強靭である。
• MoPにおける三成分フェルミオンと超伝導の共存は、トポロジカル超伝導を探索するためのユニークな系を提供する。
• 本研究の結果により、MoPはトポロジカル秩序と超伝導の相乗作用を研究するための有望な候補であることが確立された。