[논문 리뷰] Pressure induced metallization and possible unconventional superconductivity in spin liquid $NaYbSe_{2}$

Zheng Zhang, Yunyu Yin외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 25.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 양자 스핀 액체 기초 상태를 보이는 삼각형 격자 스핀 액체 NaYbSe₂에서 초압에 의해 유도된 금속성 전이와 가능한 비정통 초전도성의 발생을 보고한다. 약 20 GPa에서 재료는 전하 갭이 완전히 열리기 전에 Tc ≈ 5.8 K인 초전도 상으로 전이되며, 이는 스핀 액체와 초전도 주기 사이에 대칭성 붕괴 없이 직접적인 연관성이 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Beyond the conventional electron pairing mediated by phonons, high-temperature superconductivity in cuprates is believed to stem from quantum spin liquid (QSL). The unconventional superconductivity by doping a spin liquid/Mott insulator, is a long-sought goal but a principal challenge in condensed matter physics because of the lack of an ideal QSL platform. Here we report the pressure induced metallization and possible unconventional superconductivity in $NaYbSe_{2}$, which belongs to a large and ideal family of triangular lattice spin liquid we revealed recently and is evidenced to possess a QSL ground state. The charge gap of NaYbSe2 is gradually reduced by applying pressures, and at ~20 GPa the crystal jumps into a superconducting (SC) phase with Tc ~ 5.8 K even before the insulating gap is completely closed. The metallization is confirmed by further high-pressure experiments but the sign of superconductivity is not well repeated. No symmetry breaking accompanies the SC transition, as indicated by X-ray diffraction and low-temperature Raman experiments under high pressures. This intrinsically connects QSL and SC phases, and suggests an unconventional superconductivity developed from QSL. We further observed the magnetic-field-tuned superconductor-insulator transition which is analogous to that found in the underdoped cuprate superconductor $La_{2-x}Sr_{x}CuO_{4}$. The study is expected to inspire interest in exploring new types of superconductors and sheds light into the intriguing physics from a spin liquid/Mott insulator to a superconductor.

연구 동기 및 목표

• 고압 조건에서 양자 스핀 액체 기초 물질에서의 초전도성 발생을 탐색하기 위해.
• 스핀 액체 기초 상태를 가진 모트 절연체가 압력 조절을 통해 초전도체로 전이될 수 있는지 확인하기 위해.
• 특히 비음향성 쌍정 기반의 쌍정 메커니즘이 아닌지 여부를 포함해 초전도 상의 성격을 조사하기 위해.
• 초전도 전이 동안 대칭성 붕괴가 관찰되지 않는 것을 고려하여 비전통적 쌍정 메커니즘을 시사하기 위해.
• 부족도핑된 구프레이트와의 유사성을 고려하여 자기장 조절 초전도체-절연체 전이를 관찰하기 위해.

제안 방법

• 전하 갭의 진화를 추적하고 금속성 전이 및 초전도 전이를 식별하기 위해 고압 전기저항 측정을 수행하였다.
• 초전도 상과 함께하는 구조적 또는 대칭성 붕괴 전이 여부를 탐지하기 위해 고압에서의 X선 회절을 사용하였다.
• 전자 및 진동 모드를 탐사하기 위해 저온 라만 스펙트로스코피를 적용하여 대칭성 붕괴 또는 쌍정 변동의 징후를 탐색하였다.
• 자기장에 따른 초전도 전이의 변화를 측정하여 자기장 조절 초전도체-절연체 전이를 관찰하였다.
• 확정된 양자 스핀 액체 기초 상태와 이상적인 삼각형 격자 기하학을 가진 물질이므로 NaYbSe₂를 모델 시스템으로 선택하였다.
• 압력을 입방 앤빌 프레스를 사용하여 가하고, 약 30 GPa까지 현장 내 전기적 및 구조적 측정을 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NaYbSe₂와 같은 양자 스핀 액체 기초 물질이 초압에 의해 금속성 전이와 초전도성을 겪을 수 있는가?
• RQ2 대칭성 붕괴가 관찰되지 않는다는 점에서 NaYbSe₂의 초전도 상이 비정통적인가?
• RQ3 NaYbSe₂의 초전도 전이가 부족도핑된 구프레이트에서 관찰된 자기장 조절 초전도체-절연체 전이와 유사한가?
• RQ4 전하 갭이 어느 압력에서 닫히며, 초전도성은 완전한 금속성 전이와 어떻게 관련되어 나타나는가?
• RQ5 전통적인 음향성 쌍정 메커니즘이 없는 상황에서, 초전도 상의 쌍정 메커니즘의 성격은 무엇인가?

주요 결과

• NaYbSe₂에서 전하 갭은 압력에 따라 점진적으로 감소하며, 약 20 GPa에서 금속성 전이가 발생한다.
• 약 20 GPa에서 Tc ≈ 5.8 K인 초전도 전이가 관찰되며, 이는 절연체 갭이 완전히 열리기 이전에 발생한다.
• X선 회절 및 저온 라만 측정에서 대칭성 붕괴의 증거가 없었으며, 이는 비정통 초전도 상태를 지지한다.
• 자기장 조절 초전도체-절연체 전이가 관찰되었으며, 이는 부족도핑된 La₂₋ₓSrₓCuO₄에서 관찰된 것과 유사하다.
• 초전도 상은 스핀 액체 기초에서 직접적으로 발생하며, 이는 상호작용 전자계에서 비정통 초전도성으로 이르는 가능성을 시사한다.
• 반복 실험에서 초전도 전이가 일관되게 재현되지 않아 샘플 품질이나 불순물에 민감할 수 있음을 시사한다.