[논문 리뷰] Nodeless superconductivity in the SnAs-based van der Waals type superconductor NaSn2As2

Erjian Cheng, Jingen Ni외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 04.

Iron-based superconductors research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 고질적 NaSn₂As₂ 단일결정의 성장을 보고하며, 이전에 보고된 바보다 0.3 K 높은 초전도 전이 온도 1.60 K를 확인한다. 초저온 열전도도 측정은 영자기장에서 잔류 선형항이 극히 미미한 완전히 갭이 있는, 노드 없는 초전도 상태를 확인하며, 이는 s파어 쌍화 대칭을 강하게 시사한다. 저항도와 열용량에서 관찰된 193 K에서의 약한 비정상성은 전하 밀도파 불안정성일 수 있으며, 이는 시스템 내의 루즈 전자 쌍 전자와 관련이 있을 수 있다.

ABSTRACT

We grew the single crystals of the SnAs-based van der Waals (vdW)-type superconductor NaSn$_2$As$_2$ and systematically measured its resistivity, specific heat, and ultralow-temperature thermal conductivity. The superconducting transition temperature $T_c$ = 1.60 K of our single crystal is 0.3 K higher than that previously reported. A weak but intrinsic anomaly situated at 193 K is observed in both resistivity and specific heat, which likely arises from a charge-density-wave (CDW) instability. Ultralow-temperature thermal conductivity measurements reveal a fully-gapped superconducting state with a negligible residual linear term in zero magnetic field, and the field dependence of $κ_0 / T$ further suggests NaSn$_2$As$_2$ is an $s$-wave superconductor.

연구 동기 및 목표

• van der Waals 초전도체 NaSn₂As₂의 고품질 단일결정을 성장시켜 정밀한 물성 측정을 수행하는 것.
• NaSn₂As₂에서의 초전도 쌍화 대칭을 조사하며, 특히 노드가 없는지 또는 노드가 있는지 여부를 규명하는 것.
• 운반 및 열역학적 성질에서 이전에 보고되지 않은 193 K 근처의 비정상성의 기원을 탐구하는 것.
• Sn²⁺ 이온에 존재하는 루즈 전자 쌍 전자가 초전도 쌍화 또는 경쟁 전자상태(예: 전하 밀도파)를 유도하는지 여부를 규명하는 것.

제안 방법

• Na:Sn:As = 1:10:2의 스토이히오메트릭 비율로 Sn 유화법을 이용해 NaSn₂As₂ 단일결정을 합성하였으며, 750 °C에서 72시간 동안 안내한 후 1.5 K/h 속도로 천천히 냉각하였다.
• 저항도, 열용량 및 초저온 열전도도 측정은 PPMS와 3He 냉각기계를 사용하였으며, 열전도도 측정은 현장에서 校정된 RuO₂ 온도계를 사용한 표준 4선 정 steady-state 방법으로 수행되었다.
• 열전도도는 κ₀/T 및 κ₀(H)/T의 외부 자기장 의존도를 분석하여, 알려진 s파어 및 노드가 있는 초전도체와 비교함으로써 쌍화 대칭을 유추하였다.
• 자기장을 ab 평면에 수직으로 적용하여 균일한 자기장 분포를 확보하고, 저항도 및 열전도도 데이터로부터 Hc₂를 결정하였다.
• 정상 상태 열전도도를 추정하기 위해 Wiedemann-Franz 법칙을 사용하였으며, L₀ = 2.45 × 10⁻⁸ WΩK⁻² 및 ρ₀(0.12 T) = 60.3 μΩcm로 설정하였다.
• 저온 홀더를 사용한 투과전자현미경을 이용한 미세구조 분석을 수행하여 결정 품질과 결함을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초저온에서의 열전도도 측정을 통해 NaSn₂As₂의 초전도 갭이 노드가 없는지 또는 노드가 있는지 여부는 무엇인가?
• RQ2 저항도 및 열용량에서 관찰된 이전에 보고되지 않은 약 193 K의 비정상성의 기원은 무엇인가?
• RQ3 NaSn₂As₂의 Sn²⁺ 이온에 존재하는 루즈 전자 쌍 전자가 초전도 쌍화 대칭에 영향을 주거나, 경쟁 전자상태(예: 전하 밀도파)를 유도하는가?
• RQ4 κ₀(H)/T의 자기장 의존도에 기반해 NaSn₂As₂는 깨끗한지 또는 더러운 s파어 초전도체인가?
• RQ5 초전도성과 193 K 비정상성 간의 상호작용은 물질의 전자 구조 및 전자 상호작용 효과와 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• 이전에 보고된 1.3 K보다 0.3 K 높은 1.60 K의 초전도 전이 온도 Tc를 확인하였다.
• 초저온 열전도도 측정에서 영자기장에서 κ₀/T의 잔류 선형항이 극히 미미하여, 완전히 갭이 있는, 노드가 없는 초전도 상태임을 시사한다.
• κ₀(H)/T의 자기장 의존도는 더러운 s파어 초전도체 InBi와 유사하게 나타나, 가능성이 더러운 한계 행동을 시사하지만, 피어미 속도 데이터 부족으로 인해 전자 평균 자유로움 길이를 결정할 수 없다.
• 자기장을 ab 평면에 수직으로 적용했을 때, 저항도 및 열전도도 측정에서 유도된 상한 임계 자기장 Hc₂는 0.14 T로, 측정 간 일관성을 확인하였다.
• 저항도 및 열용량에서 193 K에서 약한 비정상성이 관찰되었으며, 이는 전하 밀도파 불안정성에서 기인할 수 있으며, Sn²⁺ 이온의 루즈 전자 쌍 전자와 관련이 있을 수 있다.
• 열전도도 데이터는 노드가 있는 초전도성은 배제한다. 잔류 κ₀/T가 유의미하게 관찰되지 않으며, 자기장 의존도는 d파어 또는 p파어 쌍화와 일치하지 않아, s파어 대칭을 강하게 지지한다.