[논문 리뷰] NbReSi: A Noncentrosymetric Superconductor with Large Upper Critical Field

Hang Su, Tian Shang외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 11.

Rare-earth and actinide compounds참고 문헌 65인용 수 22

한 줄 요약

이 연구는 비중심대칭 화합물 NbReSi에서 전이 온도 Tc = 6.5 K를 가지는 거시적 초전도성의 발견을 보고한다. 전기적, 자성 및 열용량 측정 결과는 상한 임계장이 µ0Hc2(0) ≈ 12.6 T에 이르는 완전히 갭이 있는 초전도 상태를 나타내며, 이는 파울리 한계에 가까워지고, 밴드 구조 계산은 상당한 스핀-오비트 결합에 의해 유도된 밴드 분리가 있음을 확인한다.

ABSTRACT

We report the discovery of superconductivity in noncentrosymmetric NbReSi, which crystallizes in a hexagonal ZrNiAl-type crystal structure with space group $P\bar{6}2m$ (No.~189). Bulk superconductivity, with $T_c$ = 6.5 K was characterized via electrical-resistivity, magnetization, and heat-capacity measurements. The low-temperature electronic specific heat suggests a fully gapped superconducting state in NbReSi, while a large upper critical field of $\mu_0H_\mathrm{c2}(0)$ $\sim$ 12.6 T is obtained, which is comparable to the weak-coupling Pauli limit. The electronic band-structure calculations show that the density of states at the Fermi level are dominated by Re and Nb $d$-orbitals, with a sizeable band splitting induced by the antisymmetric spin-orbit coupling. NbReSi represents another candidate material for revealing the puzzle of time-reversal symmetry breaking observed in some Re-based superconductors and its relation to the lack of inversion symmetry.

연구 동기 및 목표

• 비중심대칭인 NbReSi의 초전도성 특성을 조사하기 위해 ZrNiAl 유형의 화합물로서 이전에 특성화되지 않은 물질을 대상으로 한다.
• NbReSi가 비보통 초전도성, 즉 완전히 갭이 있는 상태 또는 노드가 있는 상태를 보이는지 확인한다.
• 비대칭 스핀-오비트 결합(ASOC)이 큰 상한 임계장을 유도하고 시간역행 대칭 깨짐을 유도할 수 있는 역할을 평가한다.
• Re 기반 물질에서의 비중심대칭성, ASOC, 그리고 초전도성 쌍성 간의 상호작용을 명확히 한다.

제안 방법

• 다결정 NbReSi 시료는 아크 증착을 통해 합성되었으며, 공간군 P¯62m인 ZrNiAl 유형의 구조를 확인하기 위해 파우더 X선 회절(XRD)로 특성화되었다.
• 전기 저항도, 자화도 및 열용량 측정은 PPMS 및 MPMS 시스템을 사용하여 초전도 전이 및 임계장 탐색을 위해 수행되었다.
• 상한 임계장 Hc2는 자기장 의존성 자화 이sovolumetric 곡선에서 추출되었으며, Hc1은 비선형 자화 반응의 시작점에서 결정되었다.
• 전자 밴드 구조 계산은 VASP를 사용한 밀도함수이론(DFT)과 PBE 기능을 사용하여 수행되었으며, 피어미 표면 및 스핀-오비트 결합 효과를 분석하였다.
• 긴츠부르크-란다우 이론을 적용하여 코herence 길이 및 상한 임계장을 추정하였으며, 파울리 한계와 결과를 비교하였다.
• 뮤온 스핀 회절(µSR)은 이전의 관련 Re 기반 초전도체 연구를 참조하여 시간역행 대칭 깨짐의 중요성을 둘러싸기 위해 언급되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NbReSi는 초전도성을 나타내는가? 그 전이 온도 Tc는 얼마인가?
• RQ2 전자 특성열 용량 데이터에 따르면 NbReSi의 초전도 상태는 완전히 갭이 있는가, 아니면 노드가 있는가?
• RQ3 상한 임계장 Hc2의 크기는 얼마이며, 파울리 한계를 초월하는가?
• RQ4 비대칭 스핀-오비트 결합(ASOC)이 관찰된 전자 밴드 분리 및 초전도성 특성에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 NbReSi의 비역행 대칭성은 다른 Re 기반 초전도체에서 관찰된 것과 마찬가지로 시간역행 대칭 깨짐을 유도하는가?

주요 결과

• NbReSi는 Tc = 6.5 K에서 거시적 초전도 전이를 나타내며, 저항도 0과 자화도 급격한 감소로 확인된다.
• Tc 이하의 전자 특성열 용량 데이터는 노드 증거 없이 완전히 갭이 있는 초전도 상태와 일치한다.
• 상한 임계장 µ0Hc2(0)는 12.6 T에 도달하며, 약한 결합 파울리 한계에 가까워지고, 이는 강한 스핀-오비트 결합 효과를 시사한다.
• 밴드 구조 계산 결과, 피어미 표면은 Re와 Nb의 d 오비탈에 의해 지배되며, 비대칭 스핀-오비트 결합으로 인한 상당한 분리가 있다.
• 결정 구조는 역행 대칭성이 없으며, Nb와 Re 원자가 비중심대칭 위치를 占거하고 있어 비보통 쌍성의 가능성에 기여한다.
• 비중심대칭 시스템에서 큰 Hc2 값은 스핀-트리플렛 쌍성 또는 시간역행 대칭 깨짐과의 가능성을 시사하지만, 본 연구에서는 후자의 직접적 증거는 발견되지 않았다.