[논문 리뷰] Pressure-induced Superconductivity in the Three-component Fermion Topological Semimetal Molybdenum Phosphide

Zhenhua Chi, Xuliang Chen외 16명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 02.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 66인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 삼성분 페르미온 위상수학적 반도체인 몰리브덴 황화물(MoP)에서 초압 조건 하에 초전도성이 유도됨을 보여주며, 임계온도는 27.6 GPa에서 2 K에서 95.0 GPa에서 3.7 K로 증가한다. 고압 전자성 운반성 측정, 싱크로트론 X선 회절 및 DFT 계산을 통해 60.6 GPa까지 와일 포인트와 삼중도로 증발한 점이 유지됨을 확인하여 위상수학적 초전도성 연구의 기반을 마련한다.

ABSTRACT

Topological semimetal, a novel state of quantum matter hosting exotic emergent quantum phenomena dictated by the non-trivial band topology, has emerged as a new frontier in condensed-matter physics. Very recently, a coexistence of triply degenerate points of band crossing and Weyl points near the Fermi level was theoretically predicted and immediately experimentally verified in single crystalline molybdenum phosphide (MoP). Here we show in this material the high-pressure electronic transport and synchrotron X-ray diffraction (XRD) measurements, combined with density functional theory (DFT) calculations. We report the emergence of pressure-induced superconductivity in MoP with a critical temperature Tc of about 2 K at 27.6 GPa, rising to 3.7 K at the highest pressure of 95.0 GPa studied. No structural phase transitions is detected up to 60.6 GPa from the XRD. Meanwhile, the Weyl points and triply degenerate points topologically protected by the crystal symmetry are retained at high pressure as revealed by our DFT calculations. The coexistence of three-component fermion and superconductivity in heavily pressurized MoP offers an excellent platform to study the interplay between topological phase of matter and superconductivity.

연구 동기 및 목표

• 고압 조건에서 몰리브덴 황화물(MoP)의 전자적 반응을 조사하기 위해.
• 와일 포인트와 삼중도로 증발한 점과 같은 위상수학적 특징이 고압 조건에서도 유지되는지 확인하기 위해.
• 삼성분 페르미온을 가진 위상수학적 반도체에서 초전도성이 어떻게 발생하는지 탐색하기 위해.
• 위상수학적 질서와 초전도성의 상호작용을 연구하기 위한 기반을 마련하기 위해.

제안 방법

• 단결정 MoP에서 초전도 전이를 탐지하기 위해 고압 전자성 운반성 측정을 수행하였다.
• 60.6 GPa까지의 구조적 변화 및 상전이를 모니터링하기 위해 싱크로트론 X선 회절(XRD)을 사용하였다.
• 고압 조건에서의 전자 밴드 구조 및 위상수학적 특징을 분석하기 위해 밀도기반함수이론(DFT) 계산을 활용하였다.
• 운반성 및 회절 측정을 위한 고순도 표본 확보를 위해 단결정 MoP 표본을 합성 및 특성화하였다.
• 헬륨 또는 neon을 압력 매체로 사용하여 고압을 적용하였다.
• 수압 조건 하에서 저항 측정을 통해 임계온도(Tc)를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MoP에서 고압 조건 하에 초전도성이 발생하는가? 그 임계온도는 얼마인가?
• RQ2 MoP에서 고압 조건 하에 위상수학적 특징인 와일 포인트와 삼중도로 증발한 점이 유지되는가?
• RQ3 MoP의 격자 구조는 60.6 GPa까지의 압력에서 상전이를 겪는가?
• RQ4 삼성분 페르미온과 초전도성의 공존이 MoP의 전자적 성질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 MoP는 위상수학적 초전도성을 연구하기 위한 안정적인 플랫폼이 될 수 있는가?

주요 결과

• 27.6 GPa에서 2 K의 임계온도로 MoP에서 초전도성이 발생하며, 95.0 GPa에서 3.7 K로 증가한다.
• 60.6 GPa까지 싱크로트론 XRD를 통해 MoP에서의 구조적 상전이를 관측하지 못하여 고압 조건 하에서도 구조적 안정성이 유지됨을 시사한다.
• DFT 계산을 통해 고압 조건에서도 전자 밴드 구조에서 와일 포인트와 삼중도로 증발한 점이 유지됨을 확인하였다.
• MoP의 위상수학적 특징은 격자 대칭성에 의해 보호되며 극한의 압력 조건에서도 강건하게 유지된다.
• MoP에서 삼성분 페르미온과 초전도성의 공존은 위상수학적 초전도성을 탐색하기 위한 유일무이한 시스템을 제공한다.
• 결과적으로 MoP는 위상수학적 성질과 초전도성의 상호작용을 연구하기 위한 유망한 후보로 확립된다.