[논문 리뷰] Observation of three superconducting transitions in the pressurized CDW-bearing compound TaTe2

Jing Guo, Huixia Luo외 17명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 26.

2D Materials and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 탄탈룸 템거라이드(TaTe₂)에서 초압 조건 하에서 전자상태의 변화에 의해 유도된, 처음으로 세 가지 별개의 초전도 전이가 관측된 바를 보고한다. 이는 전도도 파동(CDW) 상태의 억제, 단세포상에서의 구조적 각도 변화, 고압 상으로의 상전이에 기인한다. 초전도 전이 온도(Tc)는 압력이 증가함에 따라 증가하여 약 21 GPa에서 최대에 도달하며, 이는 한 개의 상관 전자 체계에서 다수의 압력 유도 초전도 메커니즘이 존재함을 보여준다.

ABSTRACT

Transition metal dichalcogenides host a wide variety of lattice and electronic structures, as well as corresponding exotic physical properties, especially under certain tuning conditions. Here, we are the first to report the observation of pressure-induced three superconducting transitions in TaTe2, a charge density wave (CDW) - bearing layered transition-metal dichalcogenide that is metallic but not superconducting at ambient pressure. We find that its CDW state can be easily suppressed upon increasing pressure up to ~ 1 GPa. A superconducting state then emerges from the suppressed CDW state and persists to the pressure about 7 GPa. Unexpectedly, another superconducting state appears at ~ 11 GPa within the same monoclinic (M) structure of its ambient-pressure one. Upon further compression to 21 GPa, a third superconducting state with higher Tc appears from a high-pressure (HP) phase. Our experimental results suggest that the pressure-induced three superconducting transitions in TaTe2 are respectively driven by the suppression of the CDW state, the change of the angle in the M phase and the transition of M-to-HP phase. These results demonstrate not only the versatile nature of this correlated electron system, but also the first experimental example that shows the pressure-induced evolution from a CDW state to three superconducting states driven by different mechanisms.

연구 동기 및 목표

• 대기압 조건에서 금속성이고 초전도성이 없는 전이금속 디칼코젠화합물인 TaTe₂에서의 압력 유도 전자상 전이를 조사하기 위해.
• 압력 조건에서 초전도성이 유도되는지 확인하고, 만약 그렇다면 어떤 조건과 메커니즘으로 발생하는지 규명하기 위해.
• 한 화합물 내에서 복수의 초전도 상태가 발생하는 데 기여하는 물리적 기원을 규명하기 위해.
• 고압 조건에서 상관 전자 체계 내에서 전도도 파동 질서와 초전도성 간의 상호작용을 탐구하기 위해.

제안 방법

• 수소압력 조건 하에서 단결정 TaTe₂의 전기적 운반 성질을 탐색하기 위해 고압 전기저항 측정을 수행하였다.
• 압력 범위 전역에서의 구조적 변화와 상전이를 모니터링하기 위해 X선 회절을 사용하였다.
• 초전도 전이의 확인 및 전이 온도(Tc) 추정을 위해 자기화율 측정을 실시하였다.
• 저항도와 자기 반응의 압력 의존성을 분석하여 초전도상과 CDW 상을 구별하였다.
• 단세포 구조의 진화를 추적하여 구조적 왜곡과 전자상 전이 간의 상관관계를 규명하였다.
• 다양한 압력 영역에서의 저항도 및 화학적 반응 데이터를 비교 분석하여 세 가지 별개의 초전도 상태를 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TaTe₂에서 고압 조건 하에 초전도성이 유도될 수 있는가? 만약 그렇다면 어떤 메커니즘을 통해 발생하는가?
• RQ2 압력이 증가함에 따라 TaTe₂에서 복수의 초전도 전이가 나타나는 원인는 무엇인가?
• RQ3 단세포 상에서의 구조적 변화는 초전도 상태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 CDW 억제가 TaTe₂에서 초전도성을 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 세 번째로 높은 Tc를 가지는 초전도 상태를 유도하는 고압 상전이가 존재하는가?

주요 결과

• ~7 GPa, ~11 GPa, ~21 GPa에서 세 가지 별개의 초전도 전이가 관측되었으며, Tc 값이 증가하는 경향을 보였다.
• 첫 번째 초전도 상태는 ~7 GPa에서 전도도 파동(CDW) 질서의 억제로 인해 나타나며, 이는 약 ~1 GPa에서 불안정해진다.
• 두 번째 초전도 상태는 ~11 GPa에서 단세포(M) 상 내의 구조적 각도 변화로 인해 발생하며, 상전이 없이 발생한다.
• 세 번째 초전도 상태는 ~21 GPa에서 단세포(M) 상에서 고압(HP) 상으로의 구조 전이와 관련이 있다.
• 관측된 최고의 Tc는 21 GPa에서 약 10 K에 도달하며, 이는 HP 상에서 초전도성 향상가 나타남을 시사한다.
• 결과적으로, 한 물질 내에서 CDW 억제, 구조적 왜곡, 상전이와 같은 복수의 별개의 메커니즘이 초전도성을 유도할 수 있음을 입증하였다.