[논문 리뷰] Heat capacity evidence for conventional superconductivity in the Type-II Dirac semi-metal PdTe$_2$

Amit, Yogesh Singh|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 10.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고순도 단일결정을 이용한 열용량, 전기적 운반 및 자화율 측정을 통해 Type-II Dirac 준금속 PdTe₂에서의 초전도성을 조사한다. 물질의 위상적으로 비자명한 피에르 표면에도 불구하고, 열용량 데이터는 BCS 유사 전자 열용량 이질성(ΔC/γTc ≈ 1.52), 지수적 저온 의존성 및 전통적인 H–T 상도를 보이며, PdTe₂에서의 초전도성이 위상적 성질이 아닌 전통적인 s-파형 초전도성임을 입증한다.

ABSTRACT

We use electrical transport, magnetoresistance, and heat capacity measurements on high quality single crystals of the recently discovered superconducting Type-II Dirac semi-metal PdTe$_2$, to probe the nature of it's superconducting phase. The magnitude of the electronic heat capacity anomaly at $T_c$, the low temperature exponential $T$ dependence of the heat capacity, and a conventional $H - T$ phase diagram establish that the superconductivity in PdTe$_2$ is conventional in nature despite the presence of a topologically non-trivial Fermi surface band which contributes to the electrical conduction.

연구 동기 및 목표

• Type-II Dirac 준금속 PdTe₂에서의 초전도성이 전통적인지 위상적 성질을 띠는지 규명하는 것.
• 거대한 물질에서 위상적 전자 밴드 구조와 초전도성 쌍성 간의 상호작용을 조사하는 것.
• 열역학적 측정을 통해 PdTe₂에서의 초전도성 쌍성 대칭성과 갭 구조를 규명하는 것.
• 열용량 이질성과 임계 자기장 행동을 분석하여 위상적 초전도성을 배제하는 것.

제안 방법

• 초전도 전이 및 전자 열용량을 탐색하기 위해 He3 시스템을 사용해 0.4 K까지 열용량 측정을 수행하였다.
• 초전도성의 확인과 임계 온도 Tc ≈ 1.7 K의 특정화를 위해 전기 저항도 및 자화율을 측정하였다.
• 영자기장에서의 총 C(T) 데이터에서 격자(βT³) 기여를 빼내어 전자 기여를 분리하였다.
• 저온 C(T) 데이터를 C_el/T = γ_res + A exp(–Δ/T)로 피팅하여 초전도 갭 구조를 탐색하였다.
• 다양한 자기장에서의 C(T) 데이터를 바탕으로 등엔트로피 구성법을 사용해 H–T 상도를 구축하였다.
• 임계 자기장 H_c(T)를 BCS 식 H_c(T) = H_c(0)[1 – (T/T_c)²]로 피팅하여 전통적 행동을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Type-II Dirac 밴드 구조를 지닌 PdTe₂에서의 초전도 상태가 위상적 초전도성의 징후를 보일까?
• RQ2 T_c에서 전자 열용량 이질성 ΔC의 크기는 얼마이며, BCS 기대치와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 저온에서의 열용량이 지수적 T 의존성을 보이며, 완전히 갭이 생긴 s-파형 초전도체임을 나타내는가?
• RQ4 H–T 상도는 전통적인 BCS 초전도성과 일치하는가?

주요 결과

• T_c에서 전자 열용량 이질성은 ΔC/γTc ≈ 1.52를 보이며, 약한 결합 단일 갭 초전도체의 BCS 값 1.43과 유사하다.
• 저온에서의 C_el/T 데이터는 C_el/T = γ_res + A exp(–Δ/T)의 지수적 피팅과 뛰어난 일치를 보이며, 완전히 갭이 생긴 s-파형 초전도 상태임을 나타낸다.
• 잔류 소머펠드 계수 γ_res = 0.4 mJ/mol K²는 샘플 부피의 약 7%가 초전도성이 아님을 시사한다.
• H–T 상도는 BCS 형태 H_c(T) = H_c(0)[1 – (T/T_c)²]를 따르며, 피팅 결과 H_c(0) = 195(2) Oe 및 T_c = 1.78 K를 얻었다.
• 초전도 전이가 날카롭고 넓혀지지 않은 것으로, 등엔트로피 구성법으로부터 T_c = 1.72 K를 도출하여 고순도 샘플과 균일한 초전도성임을 나타낸다.
• 모든 열역학적 증거—열용량 이질성, 갭 구조, H–T 상도—는 PdTe₂에서 전통적인 s-파형 초전도성임을 뒷받침한다.