[論文レビュー] Superconductivity in a van der Waals layered quasicrystal

Yuki Tokumoto, Kotaro Hamano+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2023

Iron-based superconductors researchMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、反応焼結法を用いて合成された、van der Waals (vdW) 層状準結晶であるTa1.6Teにおける、バルク超伝導の最初の観測を報告する。電気抵抗率、磁化率、比熱の測定により、超伝導転移温度が約1 Kであることが確認され、熱力学的に安定な準結晶的物質における超伝導分野における画期的な進展であり、2次元準結晶物理学の新しい道を開く。

ABSTRACT

van der Waals (vdW) layered transition-metal chalcogenides are attracting significant attention owing to their fascinating physical properties. This group of materials consists of abundant members with various elements, having a variety of different structures. However, all vdW layered materials studied to date have been limited to crystalline materials, and the physical properties of vdW layered quasicrystals have not yet been reported. Here, we report on the discovery of superconductivity in a vdW layered quasicrystal of Ta1.6Te. The electrical resistivity, magnetic susceptibility, and specific heat of the Ta1.6Te quasicrystal fabricated by reaction sintering, unambiguously validated the occurrence of bulk superconductivity at a transition temperature of ~1 K. This discovery can pioneer new research on assessing the physical properties of vdW layered quasicrystals as well as two-dimensional quasicrystals; moreover, it paves the way toward new frontiers of superconductivity in thermodynamically stable quasicrystals, which has been the predominant challenge facing condensed matter physics since the discovery of quasicrystals almost four decades ago.

研究の動機と目的

• 長距離秩序が非周期的であるため、これまでに未発見であった、van der Waals (vdW) 層状準結晶の物理的性質を調査すること。
• 準結晶が熱力学的に安定である場合に、超伝導が出現できるかどうかを特定すること。これは、準結晶が発見されて以来、物性物理学における長年の課題であった。
• vdW層状準結晶が、低次元的かつ非周期的系における超伝導を研究するための新しいプラットフォームとしての可能性を調査すること。
• 今後の2次元準結晶およびその非周期的電子的性質に関する研究の基盤を確立すること。

提案手法

• 熱力学的に安定で、層状の準結晶的構造を有するTa1.6Te準結晶を反応焼結法により合成すること。
• 超伝導の兆候を検出するために、温度依存の電気抵抗率の測定を行うこと。
• マイスナー効果の確認とバルク超伝導挙動の検証のため、磁化率データの取得を行うこと。
• 超伝導転移温度における明確なラムダ型異常を同定するために、比熱の測定を行うこと。
• 合成された材料の準結晶的性質を確認するために、X線回折および電子バックストラック回折を用いること。
• 輸送および熱力学的データの比較を通じて、バルク超伝導を明確に確立すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非周期的原子構造を有するvan der Waals層状準結晶において、超伝導が出現できるか？
• RQ2 vdW結合を有する熱力学的に安定な準結晶的物質の超伝導転移温度は何か？
• RQ3 準結晶における周期性の欠如が、クーパー対の形成および超伝導秩序の形成を妨げるのか？
• RQ4 vdW層状準結晶の電子的および磁気的性質は、それらの周期的対応物と比べてどのように異なるか？
• RQ5 準結晶状態は、従来の周期的超伝導体と同様に、強固なバルク超伝導を支持できるか？

主な発見

• Ta1.6Te準結晶は、電気抵抗率の急激な低下から、約1 Kで明確な超伝導転移を示す。
• 磁化率測定では、約1 K未満で抗磁性応答が観測され、マイスナー効果およびバルク超伝導挙動の確認がなされた。
• 比熱データは、約1 Kでラムダ型異常を示し、第二種相転移による超伝導状態への遷移と整合的である。
• X線回折および電子バックストラック回折により、Ta1.6Teの準結晶的構造が確認され、非周期的であるが長距離秩序を持つ性質が確立された。
• この材料は、弱いvan der Waals力によって層間結合が媒介されるvdW層状準結晶であり、2次元形への剥離が可能である。
• これは、熱力学的に安定な準結晶におけるバルク超伝導の最初の実験的証明であり、物性物理学における画期的な出来事である。