[논문 리뷰] Anisotropy Reversal of the Upper Critical Field at Low Temperatures and Spin-Locked Superconductivity in K2Cr3As3

Fedor Balakirev, Tai Kong외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 20.

Iron-based superconductors research인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 K₂Cr₃As₃의 상한 임계장에서 이방성 반전을 규명한다. Cr 사슬에 수직인 Hc2는 약 4 K 이하에서 사슬에 평행인 Hc2를 초과하며, 스핀 锁정 단일성 초전도를 시사한다. 최대 60 T까지의 고장력 펄스 자석 측정을 통해 사슬 방향에서는 폴라우리 제한 행동을 보이고, 수직 방향에서는 궤도 제한 행동을 보이며, 이는 이전 저장력 해석의 모순을 해결하고, 1차원 초전도성과 면내 조지프슨 결합, 3차원 밴드 기여를 시사한다.

ABSTRACT

We report the first measurements of the anisotropic upper critical field $H_{c2}(T)$ for K$_{2}$Cr$_{3}$As$_{3}$ single crystals up to 60 T and $T > 0.6$ K. Our results show that the upper critical field parallel to the Cr chains, $H_{c2}^\parallel (T)$, exhibits a paramagnetically-limited behavior, whereas the shape of the $H_{c2}^\perp (T)$ curve (perpendicular to the Cr chains) has no evidence of paramagnetic effects. As a result, the curves $H_{c2}^\perp (T)$ and $H_{c2}^\parallel(T)$ cross at $T\approx 4$ K, so that the anisotropy parameter $γ_H(T)=H_{c2}^\perp/H_{c2}^\parallel (T)$ increases from $γ_H(T_c)\approx 0.35$ near $T_c$ to $γ_H(0)\approx 1.7$ at 0.6 K. This behavior of $H_{c2}^\|(T)$ is inconsistent with triplet superconductivity but suggests a form of singlet superconductivity with the electron spins locked onto the direction of Cr chains.

연구 동기 및 목표

• K₂Cr₃As₃에서 초전도성 쌍의 대칭성에 대한 모순되는 해석을 해결하기 위해, 특히 삼중성 대비 단일성 쌍 형성에 대해.
• 저장력 데이터에서의 외삽 오류를 피하기 위해, 최대 60 T까지의 이방성 Hc2의 전체 온도 의존성을 측정하기 위해.
• 자기적 쌍 파괴 또는 궤도 효과 중 어느 것이 각 결정학적 방향에서 Hc2를 지배하는지 확인하기 위해.
• 편광 1D Cr 사슬에도 불구하고 Hc2 이방성을 감소시키는 3차원 밴드와 면내 조지프슨 결합의 역할을 조사하기 위해.
• 1차원 특성과 높은 初기 Hc2 기울기를 동시에 가지는 K₂Cr₃As₃의 초전도성 본질을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 단일 결정을 Cr 사슬에 평행하고 수직인 방향으로 정렬하여, 최대 60 T까지의 고장력 펄스 자석 측정을 접촉 없는 근접 감지 오실레이터( PDO) 기법을 사용해 수행하였다.
• 120 ms 동안의 자석 펄스 동안 고주파 공진 코ils의 주파수 이동에서 이방성 상한 임계장 Hc2(T)를 추출하였다.
• 정상 상태에서의 DC 자기화도 χ(T)를 측정하여 샘플의 이방성과 정렬 상태를 확인하였다.
• 데이터는 깅부르크-랜다우 이론을 사용하여 코herence 길이와 효과적 질량을 추정하고, 궤도 제한 행동은 Hc2(T)에 대한 BCS 유사 식을 사용하여 모델링하였다.
• 이중 밴드 모델을 고려하여, 편광 1D α/β 밴드와 3D γ 밴드의 기여를 포함하여 약간의 이방성을 설명하였다.
• 자기적 쌍 파괴 효과는 Hc2 기울기를 폴라우리 한계(Hp = 1.84Tc)와 비교하여 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cr 사슬에 따라 Hc2(T)는 자기적 쌍 파괴를 보이며, 이는 수직 방향과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 왜 이방성 매개변수 γH(T)는 Tc에서 약 0.35에서 0.6 K에서 약 1.7로 증가하여 이방성 반전을 나타내는가?
• RQ3 관측된 Hc2(T) 행동은 삼중성 초전도성으로 설명될 수 있는가, 아니면 다른 쌍 형성 메커니즘이 유리한가?
• RQ4 3D γ 밴드는 편광 1D Cr 사슬이 존재하는 상황에서도 전체 Hc2의 이방성을 어떻게 감소시키는가?
• RQ5 스핀 锁정과 Cr 사슬 간의 조지프슨 결합은 관측된 Hc2(T) 행동에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• Cr 사슬에 따라 Hc2∥(T)는 뚜렷한 폴라우리 제한 행동을 보이며, Tc에서 기울기가 약 12 T/K로, 자기적 쌍 파괴와 일치한다.
• Cr 사슬에 수직인 Hc2⊥(T)는 자기적 쌍 파괴의 증거가 없으며, 저온에서 크게 증가하여 약 4 K에서 Hc2∥(T)를 초과한다.
• 이방성 매개변수 γH(T) = Hc2⊥/Hc2∥는 Tc에서 0.35에서 0.6 K에서 1.7로 증가하여 이방성 반전을 나타낸다.
• Hc2⊥(0) ≈ 37 T는 궤도 제한 행동과 일치하며, 횡방향 코herence 길이 ξ⊥(0) ≈ 2.2 nm를 암시한다. 이는 사슬 간 거리보다 크다.
• 약간의 질량 이방성(m⊥/m∥ ≈ 3)과 유한한 Hc2⊥(0)는 Cr 사슬 간 면내 조지프슨 결합이 상당히 존재함을 시사한다.
• 3D γ 밴드는 Hc2에 기여하고 전체 이방성을 감소시키며, MgB₂에서와 유사하게 작용할 가능성이 있다. 이는 초전도성이 주로 1차원이지만 여전히 기여할 수 있음을 의미한다.