[논문 리뷰] Linear Scaling of the Superfluid Density with the Critical Temperature in the Layered Superconductor 2H-NbSe_2

von Rohr, F. O., Orain, J. -C.외 11명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 12.

Iron-based superconductors research인용 수 30

한 줄 요약

이 연구는 고압에서의 무자속 회전(µSR)을 사용하여 2H-NbSe2에서 자기장 침투 깊이 λ(T)를 측정하여, 초전도 밀도(ns/m*)이 Tc와 선형적으로 비례함을 규명하였다. 이 비례관계는 최대 2.1 GPa까지 유지되며, 이는 일반적으로 비보수성 초전도성과 관련된 특성이다. 전자 구조의 변화가 거의 없음에도 불구하고 이러한 선형 관계가 유지되므로, 이 전이금속 디칼코겐화합물 내에서 본질적인 비보수성 쌍성의 존재가 확인되며, 초전도 갭은 CDW 순서에 영향을 받지 않는다.

ABSTRACT

We report on high-pressure (p_max = 2.1 GPa) muon spin rotation experiments probing the temperature-dependent magnetic penetration depth in the layered superconductor 2H-NbSe_2. Upon increasing the pressure, we observe a substantial increase of the superfluid density n_s, which we find to scale linearly with T_c. This linear scaling is considered a hallmark feature of unconventional superconductivity, especially in high-temperature cuprate superconductors. Our current results, along with our earlier findings on 1T'-MoTe_2 (Z. Guguchia et. al., Nature Communications 8, 1082 (2017)), demonstrate that this linear relation is also an intrinsic property of the superconductivity in transition metal dichalcogenides, whereas the ratio T_c/T_F is approximately a factor of 20 lower than the ratio observed in hole-doped cuprates. We, furthermore, find that the values of the superconducting gaps are insensitive to the suppression of the quasi-two-dimensional CDW state, indicating that the CDW ordering and the superconductivity in 2H-NbSe_2 are independent of each other.

연구 동기 및 목표

• 무자속 회전을 이용하여 2H-NbSe2에서 초전도 밀도의 압력 의존성을 조사하기 위해.
• 압력 하에서 초전도 밀도가 Tc와 선형적으로 비례하는가를 확인하기 위해, 이는 보통 비보수성 초전도체에서 관찰되는 특징이다.
• 압력 하에서 2H-NbSe2 내 초전도성과 전하 밀도파(CDW) 순서 간의 상호작용을 평가하기 위해.
• 압력에 의해 전자 상태가 변화하더라도 초전도 갭의 구조가 등방성인지를 테스트하기 위해.

제안 방법

• 2.1 GPa까지의 고압에서 2H-NbSe2에 대해 고압 무자속 회전(µSR) 실험을 수행하기 위해 입방 앤빌 프레스를 사용하였다.
• 여러 압력에서 Tc 이하 및 이상에서 횡방향 자기장(TF) µSR 시간 스펙트럼을 측정하여, 무자속 스핀 붕괴 속도 σsc를 추출하였다.
• σsc를 통해 σsc ∝ λ−4 관계를 이용하여 자기장 침투 깊이 λ(T)를 결정하였으며, 이는 초전도 밀도 ns/m* ∝ λ−2 와 연결되었다.
• λ(T) 데이터를 α-모델에 적합시켜 초전도 갭 대칭성과 온도 의존성을 분석하였다.
• Tc와 TCDW의 압력 변화를 비교하여 CDW 억제 효과가 초전도성에 미치는 영향을 평가하였다.
• σsc의 온도 의존성을 분석하여 등방성 s-파 쌍성과 저온에서의 갭 포화를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2H-NbSe2에서 초전도 밀도가 압력 하에서 Tc와 선형적으로 비례하는가? 이는 코플레이트 및 철기초 초전도체에서 관찰된 바와 같다.
• RQ2 압력에 의해 CDW 상태가 억제되더라도, 2H-NbSe2에서 ns/m*와 Tc의 선형 비례 관계가 유지되는가?
• RQ3 2H-NbSe2의 초전도 갭은 2차원적인 CDW 순서의 억제에 민감한가?
• RQ4 압력에 의해 초전도 갭의 등방성이 유지되는가? 이는 강건한 s-파 쌍성의 존재를 시사한다.

주요 결과

• 대기압에서 2.2 GPa까지의 초전도 밀도 ns/m*는 약 30% 증가하였으며, 갭 대칭성에 유의미한 변화가 없었다.
• 전체 압력 범위(0–2.2 GPa)에서 ns/m*와 Tc 간의 선형 비례 관계가 관측되어, 비보수성 초전도성의 상징적 특징임을 확인하였다.
• 초전도 갭은 등방성이며 저온에서 포화 상태에 도달하여, 노드가 없는 s-파 쌍성임을 나타낸다.
• CDW 전이 온도 TCDW는 압력에 따라 크게 감소하였지만, 초전도 갭과 Tc는 극소부분만 증가(∆Tc < 1 K)하여, CDW와 초전도성 간의 약한 결합을 시사한다.
• 초전도 갭은 CDW 억제에 민감하지 않아, 2H-NbSe2에서 초전도성과 CDW 순서가 독립적으로 조절 가능하다는 것을 시사한다.
• 2H-NbSe2에서 관측된 ns/m*와 Tc의 선형 비례 관계는 이전에 1T’-MoTe2에서의 결과와 결합하여, 이 행동이 전이금속 디칼코겐화합물 초전도체의 일반적인 특성임을 시사한다.