[논문 리뷰] Evidence for two distinct superconducting phases in EuBiS$_2$F under pressure

Chunyu Guo, Yu Chen외 9명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 18.

Iron-based superconductors research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 압력 하에서 EuBiS₂F에서 두 가지 별개의 초전도 상을 규명한다: 정방형 구조(P4/nmm)에서의 저온-비저항 상과 단세포 구조(P2₁/m)에서의 고온-비저항 상으로, Tc는 1.4 GPa에서 0.3 K에서 8.6 K로 증가한다. 이 전이 과정는 구조적 상전이와 함께 일어나며, 280 K에서의 저항 비정상 현상이 억제됨을 보이며, 이는 단세포 상이 BiS₂ 기반 물질에서 향상된 초전도성과 관련이 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We present a pressure study of the electrical resistivity, AC magnetic susceptibility and powder x-ray diffraction (XRD) of the newly discovered BiS$_2$-based superconductor EuBiS$_2$F. At ambient pressure, EuBiS$_2$F shows an anomaly in the resistivity at around $T_0\approx 280$ K and a superconducting transition at $T_c\approx 0.3$ K. Upon applying hydrostatic pressure, there is little change in $T_0$ but the amplitude of the resistive anomaly is suppressed, whereas there is a dramatic enhancement of $T_c$ from 0.3 K to about 8.6 K at a critical pressure of $p_c$ $\approx{1.4}$ GPa. XRD measurements confirm that this enhancement of $T_c$ coincides with a structural phase transition from a tetragonal phase ($P4/nmm$) to a monoclinic phase ($P2_1$/m), which is similar to that observed in isostructural LaO$_{0.5}$F$_{0.5}$BiS$_2$. Our results suggest the presence of two different superconducting phases with distinct crystal structures in EuBiS$_2$F, which may be a general property of this family of BiS$_2$-based superconductors.

연구 동기 및 목표

• 최근 발견된 BiS₂ 기반 초전도체인 EuBiS₂F에서의 압력 유도 초전도성 변화를 조사하기 위해.
• 압력에 의한 Tc의 급격한 증가가 구조적 또는 전자적 변화와 관련이 있는지 확인하기 위해.
• 제안된 전하 밀도파 전이로 간주되는 280 K 저항 비정상 현상이 초전도 거동에 미치는 역할을 명확히 하기 위해.
• EuBiS₂F에서의 고온-비저항 상이 BiS₂ 기반 초전도체 가족 전반에서 일반적인 특성인지 탐색하기 위해.

제안 방법

• Tc와 280 K 저항 비정상 현상을 추적하기 위해 수압 압력 하에서 전기 저항 측정을 수행하였다.
• 초전도 전이를 확인하고 Tc의 시작점을 결정하기 위해 교류 자기화율 측정을 사용하였다.
• 압력 하에서의 구조적 상전이를 규명하기 위해 분말 X선 회절(XRD)을 활용하였다.
• 압력을 입방 압착기로 가했으며, XRD 데이터는 온도에서 측정하여 격자 변화를 모니터링하였다.
• 저항, 자기화율 및 XRD 데이터를 압력 범위 전반에서 연관시켜 상도를 구성하였다.
• 전자 산란 변화를 감지하기 위해 잔류 저항을 분석하여, p_c 근처에서의 상 공존 상태를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EuBiS₂F에서의 Tc 급격한 증가가 구조적 상전이와 관련이 있는가?
• RQ2 Tc가 증가하는 압력과 동시에 280 K 저항 비정상 현상이 억제되는가? 이는 그 기원에 대해 어떤 시사점을 제공하는가?
• RQ3 EuBiS₂F에는 서로 다른 결정 구조와 관련된 두 개의 별개의 초전도 상이 존재하는가?
• RQ4 단세포 상(P2₁/m)에서의 고온-비저항 상이 정방형 상(P4/nmm)에서의 저온-비저항 상보다 초전도성에 더 유리한가?
• RQ5 관측된 행동이 BiS₂ 기반 초전도체 전반에 걸쳐 일반적인 특성일 수 있는가, 특히 강한 반도체 성질이 없는 경우에 대해?

주요 결과

• EuBiS₂F에서 Tc는 대기압에서 0.3 K에서 1.4 GPa에서 8.6 K로 증가하여, 압력에 의한 급격한 향상이 있음을 나타낸다.
• 280 K 저항 비정상 현상(가능성 있는 전하 밀도파 전이로 간주됨)은 p_c ≈ 1.4 GPa에서 억제되어 사라진다.
• 1.4 GPa에서 1.8 GPa 사이에 정방형(P4/nmm)에서 단세포(P2₁/m)로의 구조적 상전이가 XRD로 확인되었다.
• 잔류 저항은 p_c ≈ 1.4 GPa에서 단계적 감소를 보이며, 상 공존 및 전자 재구성 상태를 시사한다.
• 고온-비저항 상은 단세포 구조와 관련이 있으며, 이는 이 상이 본질적으로 초전도성에 더 유리할 수 있음을 시사한다.
• 결과는 두 개의 별개의 초전도 상—SC1(정방형, 저-Tc)과 SC2(단세포, 고-Tc)—가 압력 하에서 EuBiS₂F에서 공존함을 시사한다.