[論文レビュー] Pressure-induced superconductivity in the three-dimensional Dirac semimetal Cd3As2

Lin He, Yuanlin Jia+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 38被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、3次元デューライ半金属Cd3As2において圧力誘発超伝導が報告され、臨界温度（Tc）は8.5 GPaで約2.0 Kから21.3 GPaで約4.0 Kに上昇し、以降50.9 GPaまでほぼ一定を示す。高圧XRDにより約3.5 GPaで構造的相転移が観察され、その非単調なHc2の挙動とマジョラナフェルミオンの理論的裏付けから、トポロジカル超伝導体の候補とされる。

ABSTRACT

The recently discovered Dirac and Weyl semimetals are new members of topological materials. Starting from them, topological superconductivity may be achieved, e.g. by carrier doping or applying pressure. Here we report high-pressure resistance and X-ray diffraction study of the three-dimensional topological Dirac semimetal Cd3As2. Superconductivity with Tc ~ 2.0 K is observed at 8.5 GPa. The Tc keeps increasing to about 4.0 K at 21.3 GPa, then shows a nearly constant pressure dependence up to the highest pressure 50.9 GPa. The X-ray diffraction measurements reveal a structure phase transition around 3.5 GPa. Our observation of superconductivity in pressurized topological Dirac semimetal Cd3As2 provides a new candidate for topological superconductor, as argued in a recent point contact study and a theoretical work.

研究の動機と目的

• 3次元デューライ半金属Cd3As2の高圧下における電子的および構造的性質を調査すること。
• トポロジカルなデューライフェルミオンを有する材料としてのCd3As2において、圧力が超伝導を誘発するかを特定すること。
• 高圧下における構造的相転移と超伝導的挙動の関係を検討すること。
• 高圧下におけるCd3As2のトポロジカル超伝導体候補としての可能性を評価すること。
• Bi2Se3などの既知のトポロジカル超伝導体候補と比較して、TcおよびHc2の圧力依存性を検討すること。

提案手法

• 抵抗率測定は、ダイヤモンドアンビルセル（DAC）を用い、炭化ホウ素ナイトライド（h-BN）を圧力伝達媒体として用いて、最大50.9 GPaまで実施した。
• 高圧X線回折（XRD）は、HPCATビームラインでシンクロトロン放射線を用い、構造的相転移を調査した。
• 13.5 GPaでの磁場依存抵抗率測定により、抵抗の磁場抑制を確認し、超伝導転移を裏付けた。
• 上部臨界磁場Hc2は磁場スイープから抽出され、WHH式にフィットして対称性のメカニズムを評価した。
• 圧力校正は、測定サイクルの前後におけるルビー蛍光法を用い、室温で実施した。
• 標準XRDパターンを用いて結晶構造をインデキシングし、ピーク位置および強度の急激な変化から相転移を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静水圧が3次元デューライ半金属Cd3As2に超伝導を誘発するか？
• RQ2 Cd3As2の臨界温度Tcは圧力の増加に伴いどのように変化するか？
• RQ3 Cd3As2に高圧下で構造的相転移が存在するか？ その転移圧力は何か？
• RQ4 観察された超伝導が、線形なHc2(T)依存性を示すなど、非単調な特性を示すか？
• RQ5 電子的および構造的進化に基づいて、圧力誘発超伝導状態がトポロジカルと分類できるか？

主な発見

• Cd3As2は8.5 GPaで超伝導が発現し、臨界温度Tc ≈ 2.0 Kを示す。
• Tcは21.3 GPaで約4.0 Kに上昇し、最高測定圧力50.9 GPaまでほぼ一定を維持する。
• 高圧XRDにより約3.5 GPaで構造的相転移が観察され、低圧正方晶相とは異なる新しい回折ピークの出現が特徴である。
• 上部臨界磁場Hc2は線形な温度依存性を示し、Hc2(0) ≈ 4.29 Tであり、軌道制限場を超えるがパウリ制限場より低いことから、強いスピン-軌道結合破壊は認められない。
• 異常なTc-圧力プロファイルと線形なHc2(T)挙動は、Bi2Se3などの既知のトポロジカル超伝導体候補と類似しており、非単調な超伝導の可能性を示唆する。
• 理論的および点接触の研究から、圧力下のCd3As2における超伝導状態がマジョラナフェルミオンを実現する可能性があると支持されており、トポロジカル超伝導体候補として極めて有望である。