[논문 리뷰] Enhanced Upper Critical Fields in a New Quasi-one-dimensional Superconductor Nb2PdxSe5

Seunghyun Khim, Bumsung Lee외 10명|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 22.

Iron-based superconductors research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 새로운 준일차원 초전도체 Nb₂PdₓSe₅에서 Tc = 5.5 K에서 초전도성을 보고한다. 여기서 Nb-Se 사슬이 b-방향으로 배열되어 b-c* 도핑 평면을 형성한다. 이 물질은 이례적으로 높은 상한 임계장 강도를 나타내며, b-방향으로 최대 35 T에 이르며, BCS 폴리우스 한계를 초월하여 강한 스핀-오비탈 결합 또는 저차원 전자 구조와 관련된 다밴드 효과를 시사한다.

ABSTRACT

We report a discovery of superconductivity with Tc = 5.5 K in Nb2PdxSe5, in which one-dimensional (1D) Nb-Se chains existing along the b-direction hybridize each other to form the conducting b-c* plane. The magnetic susceptibility and specific heat data in both single- and poly-crystals show evidence of bulk superconductivity. The resistivity, Hall coefficient, and magneto-resistance data all indicate the presence of an energy scale T* = ~ 50 K, which becomes systematically lowered under hydrostatic pressure and competes with the stabilization of superconductivity. Combined with the band calculation results showing the Fermi surfaces with 1D character, we postulate that the energy scale T* is related to a formation of a density wave or a stabilization of low dimensional electronic structure. The zero temperature upper critical field, Hc2(0), of the single crystal is found to be 10.5, 35 and 22 T in the a', b and c*-directions, respectively. While the linearly increasing Hc2(T) for H // c* indicates the multi-band effect, Hc2(0) for H // b and c* are found to be much bigger than the BCS Pauli limiting field, 1.84 Tc ~ 9 T. The suppressed Pauli paramagnetic effect points to a possibility of the enhanced spin-orbit scattering related to the low dimensional electronic structure or the presence of heavy elements such as Pd.

연구 동기 및 목표

• 최근 합성된 준일차원 초전도체 Nb₂PdₓSe₅의 초전도 특성을 조사하기 위해.
• 관측된 높은 상한 임계장이 BCS 폴리우스 한계를 초월하는지 확인하여, 비보통 쌍화 메커니즘의 존재 여부를 규명하기 위해.
• 수소압 하에서 감소하는 T* ~ 50 K의 경쟁 에너지 스케일의 기원을 탐색하기 위해.
• 밴드 계산을 통한 전자 구조와 운반 및 열역학적 측정 간의 상관관계를 분석하기 위해.
• 스핀-오비탈 결합과 중량 원소(Pd)가 폴리우스 파라자이트 한계 효과를 억제하는 데 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 구조적 및 전자적 특성 분석을 위해 단결정 및 다결정 Nb₂PdₓSe₅ 샘플을 합성하였다.
• 체적 초전도성의 확인을 위해 자성율 및 비열 측정을 수행하였다.
• 저항도, 홀 계수, 자화율 저항도 측정을 통해 T* ~ 50 K의 에너지 스케일을 식별하였다.
• 세 가지 결정학적 방향(a', b, c*)에 따라 상한 임계장 Hc₂(T)의 온도 및 필드 의존성을 측정하였다.
• 페르미 표면의 위상과 1차원 특성을 분석하기 위해 밴드 구조 계산을 수행하였다.
• 실험적 Hc₂(0) 값과 BCS 폴리우스 한계(1.84 × Tc)를 비교하여 스핀-오비탈 결합 또는 다밴드 효과로 인한 편차를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Nb₂PdₓSe₅는 체적 초전도성을 나타내는가? 그리고 전이 온도 Tc는 얼마인가?
• RQ2 b 및 c* 방향에서 상한 임계장 Hc₂(0)가 BCS 폴리우스 한계(9 T)를 초월하는 이유는 무엇인가?
• RQ3 저항도 및 홀 측정에서 관측된 에너지 스케일 T* ~ 50 K의 기원은 무엇인가?
• RQ4 수소압이 T*와 초전도성 간의 경쟁에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 스핀-오비탈 결합 또는 다밴드 효과가 높은 Hc₂(0) 값을 설명하는 데 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 단결정 및 다결정 샘플에서 자성율 및 비열 측정을 통해 Tc = 5.5 K에서 초전도성이 확인되었다.
• 0 K에서의 상한 임계장 Hc₂(0)는 a'-방향에서 10.5 T, b-방향에서 35 T, c*-방향에서 22 T에 이르렀다.
• b 및 c* 방향에서의 Hc₂(0) 값은 BCS 폴리우스 한계(1.84 × Tc ≈ 9 T)를 초월하여 폴리우스 파라자이트 한계 효과가 억제됨을 시사한다.
• H // c* 방향에서 Hc₂(T)의 필드 의존성은 선형적 행동을 보이며, 다밴드 초전도 메커니즘을 시사한다.
• 저항도 및 홀 데이터에서 관측된 에너지 스케일 T* ~ 50 K는 수소압 하에서 체계적으로 감소하며, 초전도성과 경쟁한다.
• 밴드 구조 계산은 1차원 특성을 가진 페르미 표면의 존재를 확인하여, T*가 전하 밀도 파형 형성 또는 저차원 전자 불안정성과 관련되어 있다는 가설을 지지한다.