[논문 리뷰] Pressure-induced superconductivity in the three-dimensional Dirac semimetal Cd3As2

Lin He, Yuanlin Jia외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 09.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 38인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 3D 디라크 반금속 Cd3As2에서 초압 조건 하에서 초전도성이 유도됨을 보고하며, 임계온도(Tc)는 8.5 GPa에서 약 ~2.0 K에서 시작하여 21.3 GPa에서 약 ~4.0 K로 증가하고, 이후 50.9 GPa까지 거의 일정하게 유지된다. 고압 X선 회절(XRD) 결과, 약 3.5 GPa에서 구조적 상전이가 관측되었으며, 이 초전도 상태는 비단순한 Hc2 행동과 마조라나 페르미온에 대한 이론적 근거로 인해 위상적 초전도체의 후보로 제안된다.

ABSTRACT

The recently discovered Dirac and Weyl semimetals are new members of topological materials. Starting from them, topological superconductivity may be achieved, e.g. by carrier doping or applying pressure. Here we report high-pressure resistance and X-ray diffraction study of the three-dimensional topological Dirac semimetal Cd3As2. Superconductivity with Tc ~ 2.0 K is observed at 8.5 GPa. The Tc keeps increasing to about 4.0 K at 21.3 GPa, then shows a nearly constant pressure dependence up to the highest pressure 50.9 GPa. The X-ray diffraction measurements reveal a structure phase transition around 3.5 GPa. Our observation of superconductivity in pressurized topological Dirac semimetal Cd3As2 provides a new candidate for topological superconductor, as argued in a recent point contact study and a theoretical work.

연구 동기 및 목표

• 3D 디라크 반금속 Cd3As2의 초압 전자적 및 구조적 특성을 조사하기 위해.
• 디라크 페르미온을 갖는 물질인 Cd3As2에서 압력이 초전도성을 유도할 수 있는지 확인하기 위해.
• 초압 하에서의 구조적 상전이와 초전도성 행동 간의 관계를 조사하기 위해.
• Cd3As2가 초압 조건에서 위상적 초전도체 후보로 가능성이 있는지 평가하기 위해.
• Bi2Se3와 같은 알려진 위상적 초전도체 후보와 비교하여 Tc와 Hc2의 압력 변화를 분석하기 위해.

제안 방법

• 저항 측정은 다이아몬드 압력 셀(DAC)를 사용하여 수행되었으며, 압력 매체로는 헥사고날 보론 nitride(h-BN)를 사용하여 최대 50.9 GPa까지 수행되었다.
• 고압 X선 회절(XRD)은 HPCAT 빔라인에서 신크로트론 복사선을 이용하여 구조적 상전이를 탐색하기 위해 사용되었다.
• 자기장 의존 저항 측정은 13.5 GPa에서 수행되어 저항의 자기장 억제를 통해 초전도 전이를 확인하기 위해 실시되었다.
• 상한 임계자기장 Hc2는 자기장 스윕 데이터에서 추출되었으며, WHH 공식에 맞춰 피팅되어 쌍성 메커니즘을 평가하기 위해 사용되었다.
• 압력 캘리브레이션은 매 측정 사이클 전후에 실온에서 루비 형광법을 사용하여 수행되었다.
• 결정 구조는 표준 XRD 패턴을 기반으로 색인화되었으며, 상전이는 피크 위치와 강도의 급격한 변화로 식별되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수소압이 3D 디라크 반금속인 Cd3As2에서 초전도성을 유도하는가?
• RQ2 Cd3As2의 임계온도 Tc는 증가하는 압력에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 Cd3As2는 초압 조건에서 구조적 상전이를 보이며, 그 전이 압력은 얼마인가?
• RQ4 관측된 초전도성은 선형 Hc2(T) 의존성과 같은 비단순 특성을 보이는가?
• RQ5 Cd3As2의 초압 유도 초전도 상태는 전자적 및 구조적 변화에 기반하여 위상적 초전도체로 분류될 수 있는가?

주요 결과

• Cd3As2는 8.5 GPa에서 초전도성이 발생하며, 임계온도 Tc ≈ 2.0 K이다.
• Tc는 21.3 GPa에서 약 4.0 K로 증가한 후, 가장 높은 측정 압력인 50.9 GPa까지 거의 일정하게 유지된다.
• 고압 XRD를 통해 ~3.5 GPa에서 구조적 상전이가 관측되었으며, 이는 저압 테트라고날 상과는 다릅니다. 새로운 衍射 피크가 나타나는 것으로 확인되었다.
• 상한 임계자기장 Hc2는 선형 온도 의존성을 보이며, Hc2(0) ≈ 4.29 T로, 궤도 제한장보다 높지만 파울리 제한장 이하이므로 강한 스핀-오르빗 쌍파괴 효과가 없음을 나타낸다.
• 이상적인 Tc-압력 프로파일과 선형 Hc2(T) 행동은 Bi2Se3와 같은 알려진 위상적 초전도체 후보에서 관측된 것과 유사하여, 비단순 초전도성의 가능성을 시사한다.
• 이론적 및 펄스 접촉 연구는 초압 상태의 Cd3As2 초전도 상태가 마조라나 페르미온을 수용할 수 있음을 뒷받침하며, 이는 위상적 초전도체 후보로서 매우 유망한 위치를 차지한다.