[논문 리뷰] Evidence for nodal superconductivity in quasi-one-dimensional K$_2$Cr$_3$As$_3$

G. M. Pang, M. Smidman외 8명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 08.

Iron-based superconductors research참고 문헌 5인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 터널 다이오드 온도계를 이용한 룬던 침투 깊이 측정을 통해, 새로운 1차원에 가까운 K₂Cr₃As₃에서의 노드형 초전도성에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공한다. 낮은 온도에서(𝑇 ≪ 𝑇𝑐) Δ𝜆(𝑇)의 선형 온도 의존성은 초전도 갭 내 선형 노드의 존재를 확인하며, 이는 이 새로운 q1D 초전도체에서 비정상적인 쌍성 대칭을 시사한다.

ABSTRACT

The recent discovery of superconductivity in the quasi-one-dimensional compound K$_2$Cr$_3$As$_3$, which consists of double-walled tubes of [(Cr$_3$As$_3$)$^{2-}]^\infty$ that run along the c axis, has attracted immediate attention as a potential system for studying superconductors with reduced dimensionality. Here we report clear experimental evidence for the unconventional nature of the superconducting order parameter in K$_2$Cr$_3$As$_3$, by precisely measuring the temperature dependence of the change in the penetration depth $Δλ(T)$ using a tunnel diode oscillator. Linear behavior of $Δλ(T)$ is observed for $T\ll T_c$, instead of the exponential behavior of conventional superconductors, indicating that there are line nodes in the superconducting gap. This is strong evidence for unconventional behavior and may provide key information for identifying the pairing state of this novel superconductor.

연구 동기 및 목표

• 최근 발견된 1차원에 가까운 초전도체 K₂Cr₃As₃에서 초전도 주문 매개변수의 성격을 규명하는 것.
• 이 물질의 이국적인 상한 임계장과 저차원적 구조를 고려할 때, K₂Cr₃As₃의 초전도성이 비정상적인지 조사하는 것.
• 정밀한 룬던 침투 깊이 측정을 통해 전통적인 BCS 행동과 비정상적인 노드형 초전도성 간의 차이를 구분하는 것.
• 관측된 Δ𝜆(𝑇)의 선형 T 의존성이 물질의 본질적 성질인지, 샘플 품질이나 입자 간 결합의 산물인지 확인하는 것.

제안 방법

• 다결정 K₂Cr₃As₃ 샘플을 대상으로 터널 다이오드 온도계 기법을 사용하여 룬던 침투 깊이 Δ𝜆(𝑇)의 온도 의존성을 측정하였다.
• 샘플 순도와 초전도 전이의 날카기 정도가 미치는 영향을 평가하기 위해 고품질 및 열악한 품질의 샘플 모두에서 측정을 수행하였다.
• Δ𝜆(𝑇) ∼ 𝑇ⁿ 의 거듭제곱 법칙 의존성을 분석하여, 노드를 나타내는 선형(n = 1)과 불순물 산란을 나타내는 비선형(n > 1) 행동을 구분하였다.
• 다결정 샘플의 결과를 분말 샘플 및 초창기 단일 결정 측정 결과와 비교하여 조셉슨 결합 기여를 배제하였다.
• NMR 데이터에서 헤벨-슬리히터 협응 피크가 관측되지 않는 점을 비정상적인 쌍성의 추가적 증거로 사용하였다.
• 동형 구조의 Rb₂Cr₃As₃에서 초전도 밀도의 자기장 의존성을 평가하여 노드형 행동을 교차 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 K₂Cr₃As₃에서 룬던 침투 깊이의 온도 의존성이 전통적인 BCS 초전도체에서 예상되는 지수적 행동과 다름없이 나타나는가?
• RQ2 낮은 온도에서 관측된 Δ𝜆(𝑇)의 선형 T 의존성이 K₂Cr₃As₃의 본질적 성질인지, 샘플의 비균일성이나 입자 간 결합의 산물인지 여부는 무엇인가?
• RQ3 열악한 품질의 샘플에서 관측된 Δ𝜆(𝑇)의 거듭제곱 법칙 의존성은 불순물 산란과 선형 노드의 존재에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 NMR나 상한 임계장의 이방성과 같은 독립적인 측정을 통해 K₂Cr₃As₃의 노드형 초전도 상태를 확인할 수 있는가?
• RQ5 관측된 노드형 갭 구조를 고려할 때, K₂Cr₃As₃의 초전도 쌍성은 스핀 삼중성 또는 스핀 단일성 대칭과 일치하는가?

주요 결과

• 고품질 K₂Cr₃As₃ 샘플에서 𝑇 ≪ 𝑇𝑐 영역에서 룬던 침투 깊이 Δ𝜆(𝑇)의 선형 온도 의존성이 관측되어 초전도 갭 내 선형 노드의 존재를 시사한다.
• 이 선형 행동은 초전도 전이가 날카로운 고품질 샘플 여러 개에서 반복 가능하며, 본질적 성질임을 확인한다.
• 열악한 품질의 샘플에서는 Δ𝜆(𝑇) ∼ 𝑇ⁿ 이며 𝑛 ≈ 2.4로 나타나, 불순물 산란가운데에서도 선형 노드가 존재함을 일관되게 시사한다.
• NMR 측정에서 헤벨-슬리히터 협응 피크가 관측되지 않는 점은 K₂Cr₃As₃에서 비정상적인 초전도성의 추가적 증거이다.
• 분말 샘플 및 초창기 단일 결정 데이터는 유사한 선형 Δ𝜆(𝑇) 행동을 보였으며, 입자 간 조셉슨 결합 기여가 크지 않음을 배제한다.
• 동형 구조의 Rb₂Cr₃As₃에서 초전도 밀도의 자기장 의존성이 √𝐻 의존성을 보이며, 이는 노드형 초전도성과 일관되며 K₂Cr₃As₃의 결과를 강화한다.