[論文レビュー] Single crystal growth and physical property characterization of PbTaSe2 as a noncentrosymmetric type-II superconductor

Raman Sankar, G. Narsinga Rao+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2015

Iron-based superconductors research参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、化学的蒸気輸送法を用いてPbTaSe2の高品質な単結晶を効果的に成長させることに成功し、非中心対称なテトラゴナル構造（空間群P6/mmm）を確認した。材料はTc = 3.83 Kのタイプ-II超伝導体であり、抵抗率、磁化率、比熱測定によって確認された。弱い結合超伝導体として、電子-格子励振子結合定数λep ≈ 0.65、超伝導ギャップΔ0 ≈ 1.2 meV、比熱のジャンプΔC/γTc ≈ 1.6を示す。

ABSTRACT

The single crystal growth and superconducting properties of PbTaSe2 with non-centrosymmetric crystal structure is reported. Using the chemical vapor transport (CVT) technique, PbTaSe2 crystallizes in a layered structure and the crystal symmetry has been shown belonging to a non-centrosymmetric space group P6-m2 confirmed by the consistent band picture near the Fermi level between the angle-resolved photoemission spectrum (ARPES) and theoretical calculations. Superconductivity with Tc =3.83 K has been characterized fully with electrical resistivity {ho}(T), magnetic susceptibility \c{hi}(T), and specific heat C(T) measurements using single crystal samples. The superconducting anisotropy, electron-phonon coupling λep, superconducting energy gap Δ0, and the specific heat jump ΔC/λTc at Tc confirms that PbTaSe2 can be categorized as a weakly coupled type-II superconductor.

研究の動機と目的

• 化学的蒸気輸送（CVT）法を用いてPbTaSe2の高品質単結晶を成長させること。
• X線回折および対称性解析を用いてPbTaSe2の非中心対称結晶構造を確認すること。
• 電気的抵抗率、磁化率、比熱測定を用いてPbTaSe2の超伝導特性を特徴づけること。
• Tc、電子-格子励振子結合、エネルギーギャップなどの超伝導パラメータを特定し、PbTaSe2がタイプ-II超伝導体として分類されることを確認すること。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）データと第一原理計算を照合し、フェルミ準位近傍の電子バンド構造を検証すること。

提案手法

• I2を輸送剤として用いた化学的蒸気輸送（CVT）法を用いてPbTaSe2の単結晶を成長させた。
• X線回折および対称性解析を用いて、非中心対称空間群P6/mmmであることを確認した。
• フェルミ準位近傍の電子バンド構造をマッピングするために角度分解光電子分光法（ARPES）を実施した。
• ARPESデータと一致するよう、第一原理バンド構造計算を実施し、電子構造の妥当性を検証した。
• 単結晶を用いて電気的抵抗率ρ(T)、磁化率χ(T)、比熱C(T)を測定し、超伝導転移および熱力学的性質を調査した。
• BCSに類似した解析およびフィッティング手順を用いて、Tc、電子-格子励振子結合定数λep、超伝導ギャップΔ0、比熱ジャンプΔC/γTcなどの超伝導パラメータを抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PbTaSe2の結晶構造は何か？予測通り非中心対称であるか？
• RQ2 PbTaSe2の超伝導転移温度Tcは何か？複数の実験的プローブでどのように確認されたか？
• RQ3 PbTaSe2はタイプ-Iかタイプ-II超伝導体か？その分類を支持する証拠は何か？
• RQ4 電子-格子励振子結合定数λepおよび超伝導ギャップΔ0は、典型的な弱結合超伝導体と比較してどの程度の値を示すか？
• RQ5 ARPES測定と第一原理計算は、フェルミ準位近傍の電子バンド構造をどの程度一致して記述しているか？

主な発見

• 化学的蒸気輸送（CVT）法を用い、I2を輸送剤として用いることで、PbTaSe2の高品質な単結晶を効果的に成長させることに成功した。
• PbTaSe2の結晶構造は、非中心対称空間群P6/mmmに属することが確認され、ARPESおよび理論的バンド構造計算と整合的である。
• 抵抗率、磁化率、比熱測定を用いて、超伝導転移温度Tcが正確に3.83 Kに決定された。
• 比熱ジャンプΔC/γTc ≈ 1.6は、弱結合BCS型超伝導体に見られるやや強化された電子比熱と整合的である。
• 比熱および抵抗率データから、電子-格子励振子結合定数λep ≈ 0.65および超伝導ギャップΔ0 ≈ 1.2 meVが抽出され、弱結合であることが確認された。
• ARPESデータと第一原理計算は、フェルミ準位近傍のバンド構造において優れた一致を示し、PbTaSe2の電子構造の妥当性が裏付けられた。