[論文レビュー] Superconductivity Induced by High Pressure in Weyl Semimetal TaP

Yufeng Li, Yonghui Zhou+14 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 38被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、高圧がWeyl半金属TaPに超伝導性を誘発することを示しており、超伝導転移は約70 GPaで観察された。抵抗率および磁気抵抗測定に加え、密度汎関数理論計算の支援により、圧力駆動による構造転移と、Weyl点に対する化学ポテンシャルのシフトが、圧力解放後も持続する超伝導性を可能にすることが明らかになった。

ABSTRACT

Weyl semimetal defines a material with three dimensional Dirac cones which appear in pair due to the breaking of spatial inversion or time reversal symmetry. Superconductivity is the state of quantum condensation of paired electrons. Turning a Weyl semimetal into superconducting state is very important in having some unprecedented discoveries. In this work, by doing resistive measurements on a recently recognized Weyl semimetal TaP under pressure up to about 100 GPa, we observe superconductivity at about 70 GPa. The superconductivity retains when the pressure is released. The systematic evolutions of resistivity and magnetoresistance with pressure are well interpreted by the relative shift between the chemical potential and paired Weyl points. Calculations based on the density functional theory also illustrate the structure transition at about 70GPa, the phase at higher pressure may host superconductivity. Our discovery of superconductivity in TaP by pressure will stimulate further study on superconductivity in Weyl semimetals.

研究の動機と目的

• 高圧下におけるWeyl半金属TaPにおける超伝導性の出現を調査すること。
• 高圧下におけるTaPの超伝導性を駆動する電子的および構造的変化を理解すること。
• 圧力解放後に超伝導性が持続するかどうかを特定し、安定な超伝導相であるかを評価すること。
• 抵抗率および磁気抵抗の進化と、化学ポテンシャルとWeyl点の相対的シフトの関係を明らかにすること。
• 密度汎関数理論計算を用いて、圧力誘発構造転移および超伝導相の妥当性を検証すること。

提案手法

• 100 GPaまでの静水圧をかけたTaP試料について、立方アンビルプレスを用いて抵抗率測定を実施した。
• 圧力変化に応じた電子的応答および超伝導転移を調査するため、磁気抵抗測定を実施した。
• 観察された抵抗率および磁気抵抗の進化を説明するため、化学ポテンシャルとペアになったWeyl点との相対的シフトを分析した。
• 密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、圧力下における構造的変化および電子構造の進化をモデル化した。
• 電子輸送の圧力依存性を、Weyl点の整合性およびフェルミ準位の調整の観点から解釈した。
• 実験データとDFT結果の比較により、約70 GPaで構造的相転移が確認され、これが超伝導性の発現と一致した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧はWeyl半金属TaPに超伝導性を誘発するか？
• RQ2 圧力誘発構造転移とTaPにおける超伝導性の出現の関係は何か？
• RQ3 圧力下における化学ポテンシャルとWeyl点の相対的位置関係はどのように変化するか？また、その変化が超伝導性に果たす役割は何か？
• RQ4 圧力解放後に超伝導状態が持続するか？これは安定な相を示唆するか？
• RQ5 密度汎関数理論計算は、高圧下におけるTaPの観察された電子的および構造的変化を再現できるか？

主な発見

• 超伝導性は約70 GPaの圧力でTaPに観察されたが、高圧環境のため臨界温度は特定できなかった。
• 圧力解放後も超伝導転移が持続したため、安定な超伝導相の形成が示唆された。
• 抵抗率および磁気抵抗測定から、圧力に伴う系統的な進化が観察され、Weyl点に対する化学ポテンシャルのシフトと整合的であった。
• DFT計算により、約70 GPaで構造的相転移が発生することが判明し、実験的観察と一致した。
• 圧力下での電子構造の進化、特にフェルミ準位とWeylノードの相対的調整が、超伝導性の実現に不可欠であることが明らかになった。
• 本結果は、TaPのようなWeyl半金属が極限的圧力下で超伝導性を示しうることを示唆し、トポロジカル超伝導体研究の新たな道筋を拓いた。