[논문 리뷰] Non-Fermi-Liquid Behavior of Superconducting SnH$_4$

I. A. Troyan, Dmitrii V. Semenok외 14명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 11.

Quantum, superfluid, helium dynamics인용 수 8

한 줄 요약

논문은 고압하의 초전도 SnH4가 비-파인리히-룬가 거동을 보이며 Bloch-Grüneisen 산란 편차와 초전도 특성의 비전형적인 자기장 의존성을 보임을 보고한다. 또한 초전도 간격과 임계장 거동을 정량화한다.

ABSTRACT

We studied chemical interaction of Sn with H$_2$ by X-ray diffraction methods at pressures of 180-210 GPa. A previously unknown tetrahydride SnH$_4$ with a cubic structure (${fcc}$) exhibiting superconducting properties below ${T}$$_C$ = 72 K was obtained; the formation of a high molecular ${C2/m}$-SnH$_{14}$ superhydride and several lower hydrides, ${fcc}$ SnH$_2$ and ${C2}$-Sn$_{12}$H$_{18}$, was also detected. The temperature dependence of critical current density ${J}$$_C$(T) in SnH$_4$ yields the superconducting gap 2$Δ$(0) = 23 meV at 180 GPa. SnH$_4$ has unusual behavior in strong magnetic fields: ${B,T}$-linear dependences of magnetoresistance and the upper critical magnetic field ${B}$$_{C2}$(T) $\propto$ (${T}$$_C$ - ${T}$). The latter contradicts the Wertheimer-Helfand-Hohenberg model developed for conventional superconductors. Along with this, the temperature dependence of electrical resistance of ${fcc}$ SnH$_4$ in non-superconducting state exhibits a deviation from what is expected for phonon-mediated scattering described by the Bloch-Grüneisen model, and is beyond the framework of the Fermi liquid theory. Such anomalies occur for many superhydrides, making them much closer to cuprates than previously believed.

연구 동기 및 목표

• Sn과 H2의 극한 압력(180–210 GPa) 하에서 SnH4 및 관련 수소화물의 합성을 위한 화학적 상호작용 조사.
• SnH4의 초전도 특성(초전도 간격 및 임계장 포함) 특성화.
• 전도/자기 특성의 온도 및 자기장 의존성을 분석하여 파인리히-고전적 초전도체 모델 및 파인리히-액체 가설의 부합 여부 평가.
• SnH4 및 관련 수소화물에서 표준 진동자 매개 산란 및 일반적인 초전도 이론과의 편차 식별

제안 방법

• X-ray 회절을 180–210 GPa에서 수행하여 결정 구조 및 수소화물 형성 여부 식별.
• V-I 특성으로 초전도 간격을 추출하기 위해 임계전류 밀도 Jc(T)의 온도 의존성 측정.
• Talantsev–Tallon 모델을 사용하여 V-I 데이터로부터 초전도 간격 결정.
• 전형적 Werthamer–Helfand–Hohenberg 기대와의 적합성 평가를 위해 Bc2(T)와 자저항의 온도 의존성 연구.
• Bloch–Grüneisen 및 파인리히-거동 기대와의 비교를 위해 정상상태 저항의 온도 의존성 분석

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고압하의 SnH4가 전형적인 BCS 유사 초전도성을 보이는가, 아니면 비-파인리히 거동을 보이는가?
• RQ2 약 180 GPa에서의 SnH4의 초전도 매개변수(간격, Tc, Bc2)와 압력에 따른 변화는 어떠한가?
• RQ3 SnH4의 자저항, Jc(T), Bc2(T)가 전형적 모델(Bloch–Grüneisen, WHH)에서 어떤 차이로 벗어나나?
• RQ4 SnH4의 정상상태에서의 산란 특성은 어떠하며 파인리히 이론과 일치하는가?

주요 결과

• 180–210 GPa에서 합성된 SnH4의 Tc = 72 K이고 180 GPa에서의 2Δ(0) ≈ 23 meV의 초전도 간격.
• Bc2(T)가 B,T-선형 거동을 보이며 Bc2(T) ∝ (Tc − T)를 따른다. 이는 전형적 초전도체에 대한 Werthamer–Helfand–Hohenberg 예측과 모순된다.
• 자저항은 고자장 영역에서 B-선형 의존성을 보인다.
• 정상상태 저항은 Bloch–Grüneisen 기대에서 벗어나며 표준 진동자 매개 산란을 넘어서는 비-파인리히 거동을 나타낸다.
• SnH4(및 관련 초수수소화물)에서 관찰된 이상 현상은 전형적인 초전도체보다 구파라이트계(cuprate-like) 거동에 더 가깝다.
• 구조 분석 결과 fcc SnH4를 확인했고 연구 압력 하에서 더 높은 수소화물(SnH14) 및 기타 조성들이 연결됨을 제시