[論文レビュー] Superconductivity in the doped topological insulator Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$ under high pressure

T. V. Bay, Takashi Naka+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2011

Topological Materials and Phenomena被引用数 24

ひとこと要約

本研究は、抵抗率および上臨界磁場（$B_{c2}$）測定を用いて、高圧下におけるCu$_x$Bi$_2$Se$_3$の超伝導性を調査した。$B_{c2}(T)$は、弱結合スピン対生成限界を上回る普遍的曲線に一致しており、パウリ制限は認められず、極性状態モデルとも良好に一致しており、ドーピングされたトポロジカル絶縁体におけるスピン三重項 $p$-波超伝導の強い示唆が得られた。

ABSTRACT

We report a high-pressure single crystal study of the topological superconductor Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$. Resistivity measurements under pressure show superconductivity is depressed smoothly. At the same time the metallic behavior is gradually lost. The upper critical field data $B_{c2}(T)$ under pressure collapse onto a universal curve. The absence of Pauli limiting and the comparison of $B_{c2}(T)$ to a polar state function point to spin-triplet superconductivity, but an anisotropic spin-singlet state cannot be discarded completely.

研究の動機と目的

• ドーピングされたトポロジカル絶縁体であるCu$_x$Bi$_2$Se$_3$における超伝導の圧力依存性を調査すること。
• 高圧下での $B_{c2}(T)$ 測定を通じて、超伝導ペアリング対称性の性質を特定すること。
• 特にトポロジカル超伝導の文脈において、超伝導状態がスピン対生成かスピン三重項かを評価すること。
• パウリパラメグネティック制限および異方性が超伝導応答に与える役割を評価すること。
• $B_{c2}(T)$ データが普遍的曲線に一致するかどうかをテストし、強固なペアリングメカニズムを示唆すること。

提案手法

• Cu$_{0.3}$Bi$_{2.1}$Se$_3$の単結晶は、溶融成長および850 °Cでのアニール後、急速冷却により調製された。
• 抵抗率測定は、2.31 GPaまでの水圧下で実施され、超伝導転移温度（$T_c$）および金属的挙動を調べた。
• 上臨界磁場 $B_{c2}(T)$ は、さまざまな圧力下で測定され、$t = T/T_c(p)$ にスケーリングされて、普遍的スケーリングのテストが行われた。
• データは、スピン対生成超伝導体のためのWerthamer-Helfand-Hohenberg（WHH）モデルおよびスピン三重項 $p$-波ペアリングのための極性状態モデルと比較された。
• パウリ制限は、$B_{c2}$ 値を普遍的スピン対生成限界と比較し、高磁場での抑制が認められないことから評価された。
• 異方性効果は、結晶構造が異なる磁場方向に対する $B_{c2}$ に与える影響を評価することで検討された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水圧は、Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$における超伝導転移温度および金属的挙動にどのように影響するか？
• RQ2 $B_{c2}(T)$ は圧力下で普遍的スケーリングを示すか？ これはペアリング対称性に何を示唆するか？
• RQ3 Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$ にはパウリパラメグネティック制限が存在するか？ その欠如は、クーパー対のスピン状態に何を示唆するか？
• RQ4 $B_{c2}(T)$ データは、スピン三重項 $p$-波超伝導のための極性状態モデルとどの程度一致するか？
• RQ5 観察された $B_{c2}(T)$ 挙動は、層状結晶構造に起因する異方性効果で説明可能か？

主な発見

• Cu$_{0.3}$Bi$_{2.1}$Se$_3$における超伝導は、圧力下で滑らかに抑制され、$T_c$ は臨界圧力 $p_c = 6.3$ GPa で消失すると外挿された。
• $B_{c2}(T)$ データは、圧力下で単一の普遍的曲線に一致しており、標準的な弱結合スピン対生成 WHH モデルとは顕著に乖離していた。
• パウリ制限が確認されず、$B_{c2}$ 値が普遍的スピン対生成限界を超えていたため、スピン三重項ペアリングが好ましいことが示された。
• $B_{c2}(T)$ の温度依存性は、$p$-波超伝導のための極性状態モデルと良好に一致しており、スピン三重項ペアリングを支持する。
• 異方性効果は、層状系に特徴的な上向きカーブが観察されなかったことから、観察された $B_{c2}(T)$ 挙動を説明できない。
• WHH モデルの単純なスケーリングとはデータが整合せず、さらに非単純なペアリング状態が、従来のスピン対生成 $s$-波を越える非単純なペアリング状態を示唆する。