[論文レビュー] Superconductivity in an Orbital-reoriented SnAs Square Lattice: a Case Study of Li0.6Sn2As2 and NaSnAs

Junjie Wang, Tianping Ying+15 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2023

Iron-based superconductors researchMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、圧力を加えることでLi0.6Sn2As2およびNaSnAsにおいて、三角対称のSnAs3から正方格子のSnAs4へのトポタクティックな構造転移が誘発され、Snの5p軌道が面外（pz）から面内（px+py）へ再配向することにより、2次元正方格子内での電子遷移が強化され、記録的な超伝導転移温度（Tc ≈ 10.5 Kおよび8.5 K）が達成されたことを示している。この軌道再配向は、層状材料における超伝導性を設計するための新規戦略を提供する。

ABSTRACT

Searching for functional square lattices in layered superconductor systems offers an explicit clue to modify the electron behavior and find exotic properties. The trigonal SnAs3 structural units in SnAs-based systems are relatively conformable to distortion, which provides the possibility to achieve structurally topological transformation and higher superconducting transition temperatures. In the present work, the functional As square lattice was realized and activated in Li0.6Sn2As2 and NaSnAs through a topotactic structural transformation of trigonal SnAs3 to square SnAs4 under pressure, resulting in a record-high Tc among all synthesized SnAs-based compounds. Meanwhile, the conductive channel transfers from the out-of-plane pz orbital to the in-plane px+py orbitals, facilitating electron hopping within the square 2D lattice and boosting the superconductivity. The reorientation of p-orbital following a directed local structure transformation provides an effective strategy to modify layered superconductors.

研究の動機と目的

• 機能的な正方格子を有する層状超伝導体を探索し、電子の挙動を調整し、特異な量子相にアクセスする手段とすること。
• 圧力下における三角対称のSnAs3から正方格子のSnAs4への構造転移が、超伝導特性を向上させることを調査すること。
• 2次元SnAsベース系における電子遷移の促進と超伝導性の向上に寄与する、p軌道の再配向（pzからpx+py）の役割を理解すること。
• 層状材料における局所的構造変化を指向的に制御することで、超伝導性を設計するための新戦略を確立すること。

提案手法

• 高圧合成法を用いて、Li0.6Sn2As2およびNaSnAsにおいて、三角対称のSnAs3から正方格子のSnAs4へのトポタクティックな転移を誘発した。
• X線回折および電子線顕微鏡法を用いて、構造転移および格子幾何学の確認を行った。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）およびバンド構造計算を用いて、Snの5p軌道が面外（pz）から面内（px+py）へ再配向する過程を追跡した。
• 電気的輸送測定を実施し、圧力下での超伝導転移温度（Tc）を特定した。
• 密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、転移後の電子構造および軌道混合の変化を分析した。
• 2次元面内における軌道再配向と強化された電子遷移の関係を分析し、観測されたTcの向上を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧力下における三角対称のSnAs3から正方格子のSnAs4へのトポタクティックな転移が、SnAsベース超伝導体に機能的な2次元正方格子を誘発できるか？
• RQ2 Snの5p軌道がpzからpx+pyへ再配向することで、2次元面内における電子輸送および超伝導性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 高圧を用いた構造的・軌道的工学により、SnAsベース化合物で達成可能な最大Tcはどの程度か？
• RQ4 面内における軌道再配向が、電子遷移の強化および層状系における超伝導性の促進にどの程度寄与するか？
• RQ5 この軌道再配向戦略は、高Tc超伝導体の設計原理として一般化可能か？

主な発見

• Li0.6Sn2As2およびNaSnAsにおいて、両方の材料で高圧下で三角対称のSnAs3から正方格子のSnAs4へのトポタクティックな転移が成功裏に誘発され、機能的な2次元正方格子の形成が確認された。
• Snの5p軌道が面外（pz）から面内（px+py）へ再配向し、2次元面内での電子遷移が強化された。
• 超伝導転移温度（Tc）はLi0.6Sn2As2で10.5 K、NaSnAsで8.5 Kに達し、合成済みのSnAsベース化合物において記録更新を達成した。
• p軌道の再配向により、電子バンド幅およびフェルミ面のネスティングが顕著に増大し、超伝導性を促進する要因となった。
• 本研究では、局所的構造変化を指向的に制御することで、軌道特性を設計し、層状材料における超伝導特性を向上させられることを示した。
• 本研究の結果は、構造的転移による軌道混合の制御を通じて、高Tc超伝導体を設計するための新たな道筋を確立した。