[논문 리뷰] Separation of the charge density wave and superconducting states by an intermediate semimetal phase in pressurized TaTe2

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

Organic and Molecular Conductors Research참고 문헌 26인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 압력이 가해진 TaTe2에서 전하 밀도 파동(CDW) 상태와 초전도 상태 사이에 초전도성 없는 반금속 상태가 존재함을 밝혀내며, 층상 전이 금속 디 chalcogenide에서 CDW와 초전도성 간의 기존 이론적 직접 전이를 도전한다. 초전도성은 약 21 GPa에서 반금속 상태가 파괴된 후에만 나타나며, 이는 LTMDC에서 이러한 순서가 처음으로 실험적으로 관찰된 사례이다.

ABSTRACT

In layered transition metal dichalcogenides (LTMDCs) that display both charge density waves (CDWs) and superconductivity, the superconducting state generally emerges directly on suppression of the CDW state. Here, however, we report a different observation for pressurized TaTe2, a non-superconducting CDW-bearing LTMDC at ambient pressure. We find that a superconducting state does not occur in TaTe2 after the full suppression of its CDW state, which we observe at about 3 GPa, but, rather, a non-superconducting semimetal state is observed. At a higher pressure, ~21 GPa, where both the semimetal state and the corresponding positive magnetoresistance effect are destroyed, superconductivity finally emerges and remains present up to ~50 GPa, the high pressure limit of our measurements. Our pressure-temperature phase diagram for TaTe2 demonstrates that the CDW and the superconducting phases in TaTe2 do not directly transform one to the other, but rather are separated by a semimetal state, - the first experimental case where the CDW and superconducting states are separated by an intermediate phase in LTMDC systems.

연구 동기 및 목표

• 대기압에서 초전도성이 없는 CDW 물질인 TaTe2의 압력 유도 전자상의 진화를 조사하기 위해.
• 초전도성이 CDW 억제 후 바로 나타나는지, 또는 중간 상을 거쳐 나타나는지 확인하기 위해.
• TaTe2의 압력-온도 상 다이어그램을 그려 중간 전자상의 성질을 규명하기 위해.
• 층상 전이 금속 디 chalcogenide에서 CDW 질서, 반금속성, 초전도성 간의 관계를 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 전자상 전이를 탐색하기 위해 TaTe2의 고압 저항 측정을 약 50 GPa까지 수행하였다.
• 특히 양의 자기저항 효과를 탐지하기 위해 자기저항 측정을 실시하였다.
• 온도 의존 저항 데이터 분석을 통해 상전이의 임계 압력을 규명하였다.
• 저항 이상 현상과 자기저항 행동을 바탕으로 압력-온도 상 다이어그램을 구축하였다.
• 저항이 0이 되고 외부 자기장에 의해 저항이 감소하는 것으로 초전도성의 존재를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TaTe2에서 압력에 의해 전하 밀도 파동 상태가 억제된 후 초전도성이 바로 나타나는가?
• RQ2 고압에서 TaTe2의 CDW와 초전도 상태 사이에 어떤 전자상이 존재하는가?
• RQ3 CDW와 초전도성 사이의 중간 상이 반금속인가? 그에 대한 증거는 무엇인가?
• RQ4 TaTe2에서 초전도성이 처음 나타나는 압력는 얼마이며, 더 높은 압력에서 어떻게 변화하는가?
• RQ5 TaTe2에서의 양의 자기저항 효과는 중간 반금속 상 존재와 어떻게 관련이 있는가?

주요 결과

• TaTe2의 CDW 상태는 약 3 GPa에서 완전히 억제되며, 이는 초전도성이 없는 반금속 상태의 시작을 나타낸다.
• 3 GPa에서 약 21 GPa 사이의 중간 상에서 반금속 성질을 나타내는 양의 자기저항 효과가 관찰된다.
• 초전도성이 약 21 GPa에서 나타나며, 이는 반금속 상태의 파괴와 동시에 발생한다.
• 초전도 전이 온도는 측정된 최고 압력인 약 50 GPa까지 유지되며 극한 조건에서도 안정성을 보인다.
• 압력-온도 상 다이어그램은 CDW 상태와 초전도 상태가 직접 연결되어 있지 않고, 중간에 반금속 상태로 분리되어 있음을 보여준다.
• 이는 층상 전이 금속 디 chalcogenide에서 CDW → 반금속 → 초전도의 순서가 처음으로 실험적으로 관찰된 사례이다.