[論文レビュー] Superconductivity in quasi-one-dimensional K$_2$Cr$_3$As$_3$

Jin‐Ke Bao, Jiyong Liu+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2014

Iron-based superconductors research被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、面共有 Cr₆/₂(As₆/₂)正方反ドーパーからなる二重壁構造の亜ナノチューブを有するクロムヒ hydride K₂Cr₃As₃ において、6.1 K でバルク超伝導が報告された。この材料は強い電子相関（γ = 70–75 mJ K⁻² mol⁻¹）を示し、フェルミ液体でない抵抗率と、パウリ限界を3–4倍上回る上臨界磁場を示しており、Q1D相関系における非単純超伝導を示唆している。

ABSTRACT

We report the discovery of bulk superconductivity (SC) at 6.1 K in a quasi-one-dimensional (Q1D) chromium pnictide K$_2$Cr$_3$As$_3$ which contains [(Cr$_3$As$_3$)$^{2-}$]$_{\infty}$ double-walled subnano-tubes with face-sharing Cr$_{6/2}$ (As$_{6/2}$) octahedron linear chains in the inner (outer) wall. The material has a large electronic specific-heat coefficient of 70$\sim$75 mJ K$^{-2}$ mol$^{-1}$, indicating significantly strong electron correlations. Signature of non-Fermi liquid behavior is shown by the linear temperature dependence of resistivity in a broad temperature range from 7 to 300 K. Unconventional SC is preliminarily manifested by the estimated upper critical field exceeding the Pauli limit by a factor of three to four. The title compound represents a rare example that possibly unconventional SC emerges in a Q1D system with strong electron correlations.

研究の動機と目的

• 準一次元的クロムヒ hydride K₂Cr₃As₃ における超伝導特性を調査すること。
• 強い電子相関と低次元性を示す系における超伝導の性質を特定すること。
• Q1D相関電子系において非単純超伝導が出現するかどうかを評価すること。
• 比熱と抵抗率測定を用いて電子相関と常態挙動を特徴付けること。

提案手法

• 固体反応およびアニールを用いた高品質単結晶 K₂Cr₃As₃ の合成。
• 7–300 K の範囲で電気抵抗率を測定し、常態電子的挙動を調査。
• 低温比熱測定を用いて電子比熱係数（γ）を決定。
• 上臨界磁場（Hc2）の分析により、超伝導ペアリング対称性を評価。
• Hc2 をパウリ磁気的限界と比較し、非単純ペアリングを推測。
• 面共有八面体鎖を有する [(Cr₃As₃)²⁻]∞ 二重壁亜ナノチューブの存在を確認する構造的特徴付け。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 準一次元的 K₂Cr₃As₃ 系にバルク超伝導が存在するか？
• RQ2 電子比熱係数が示すところの、K₂Cr₃As₃ における電子相関の強さはいかほどか？
• RQ3 常態がフェルミ液体でない挙動を示すか、線形抵抗率によって裏付けられるか？
• RQ4 上臨界磁場がパウリ限界を上回ることから、超伝導状態が非単純であるとされるか？
• RQ5 非単純超伝導が準一次元的相関電子系に安定化できるか？

主な発見

• K₂Cr₃As₃ において Tc = 6.1 K でバルク超伝導が観測され、零抵抗とマイスナー効果によって確認された。
• 電子比熱係数 γ は 70–75 mJ K⁻² mol⁻¹ と測定され、強い電子相関を示している。
• 抵抗率は 7–300 K の範囲で温度に線形依存性を示し、常態におけるフェルミ液体でない挙動を示唆している。
• 上臨界磁場 Hc2 はパウリ磁気的限界を3–4倍上回っており、非単純超伝導ペアリングを示唆している。
• この系は、面共有 Cr₆/₂(As₆/₂) 八面体からなる二重壁亜ナノチューブを有する準一次元的構造を示している。
• K₂Cr₃As₃ は Q1D相関系における非単純超伝導の稀な例である。