[논문 리뷰] Superconductivity Induced by High Pressure in Weyl Semimetal TaP

Yufeng Li, Yonghui Zhou외 14명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 08.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 38인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 초임계 압력이 와일 반도체 TaP에서 초전도성을 유도함을 보여주며, 약 70 GPa에서 초전도 전이가 관측됨을 확인한다. 밀도함수이론 계산을 바탕으로 한 전기저항 및 자기저항 측정 결과는, 구조 전이와 와일 점에 대한 화학적 위치의 이동이 압력에 의해 유도됨을 보여주며, 초전도성이 압력 해제 후에도 유지됨을 시사한다.

ABSTRACT

Weyl semimetal defines a material with three dimensional Dirac cones which appear in pair due to the breaking of spatial inversion or time reversal symmetry. Superconductivity is the state of quantum condensation of paired electrons. Turning a Weyl semimetal into superconducting state is very important in having some unprecedented discoveries. In this work, by doing resistive measurements on a recently recognized Weyl semimetal TaP under pressure up to about 100 GPa, we observe superconductivity at about 70 GPa. The superconductivity retains when the pressure is released. The systematic evolutions of resistivity and magnetoresistance with pressure are well interpreted by the relative shift between the chemical potential and paired Weyl points. Calculations based on the density functional theory also illustrate the structure transition at about 70GPa, the phase at higher pressure may host superconductivity. Our discovery of superconductivity in TaP by pressure will stimulate further study on superconductivity in Weyl semimetals.

연구 동기 및 목표

• 고압 조건에서 와일 반도체 TaP에서의 초전도성 발생을 조사하는 것.
• TaP에서 고압 조건에서 초전도성을 이끄는 전자적 및 구조적 변화를 이해하는 것.
• 압력 해제 후에도 초전도성이 유지되는지 확인하여 안정된 초전도 상이 존재하는지 판단하는 것.
• 전기저항 및 자기저항의 변화와 화학적 위치와 와일 점 간의 상대적 이동 간의 상관관계를 규명하는 것.
• 밀도함수이론 계산을 통해 압력에 의한 구조 전이 및 초전도 상의 존재를 검증하는 것.

제안 방법

• 100 GPa까지의 수소압력을 이용한 큐빅 앤빌 프레스를 사용하여 TaP 시료의 전기저항 측정을 수행하였다.
• 다양한 압력 조건에서 전자적 반응 및 초전도 전이를 탐색하기 위해 자기저항 측정을 실시하였다.
• 관측된 전기저항 및 자기저항의 변화를 설명하기 위해 화학적 위치와 쌍을 이루는 와일 점 간의 상대적 이동을 분석하였다.
• 밀도함수이론(DFT) 계산을 통해 고압 조건에서의 구조 변화 및 전자 구조의 변화를 모델링하였다.
• 전자 운반성의 압력 의존성을 와일 점의 정렬과 패리 레벨 조절의 관점에서 해석하였다.
• 실험 데이터와 DFT 결과의 비교를 통해 약 70 GPa 근처에서 구조 상전이가 발생하고, 이는 초전도성 발생과 동시에 발생함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고압 조건에서 와일 반도체 TaP에서 초전도성이 유도되는가?
• RQ2 압력에 의한 구조 전이와 TaP에서의 초전도성 발생 간의 관계는 무엇인가?
• RQ3 압력 조건에서 화학적 위치가 와일 점에 대해 어떻게 변화하는가? 이 변화는 초전도성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 압력 해제 후에도 초전도 상태가 유지되는가? 이는 안정된 상의 존재를 시사하는가?
• RQ5 밀도함수이론 계산이 TaP에서 고압 조건에서 관측된 전자 및 구조적 변화를 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 초전도 전이가 약 70 GPa에서 관측되었으며, 고압 환경으로 인해 임계 온도를 결정할 수 없었다.
• 압력 해제 후에도 초전도 전이가 유지되어 안정된 초전도 상의 형성을 시사한다.
• 전기저항 및 자기저항 측정 결과는 압력에 따라 체계적으로 변화하였으며, 이는 와일 점에 대한 화학적 위치의 이동과 일치한다.
• DFT 계산 결과, 70 GPa 근처에서 구조 상전이가 발생함을 확인하였으며, 이는 실험적 초전도성 관측 결과를 지지한다.
• 특히 와일 노드에 대한 패리 레벨 조절이 고압 조건에서 전자 구조의 변화를 이끌어내며, 이는 초전도성 발생에 핵심적이다.
• 결과적으로, TaP와 같은 와일 반도체는 극한의 고압 조건에서 초전도성을 가질 수 있으며, 이는 상대적 초전도 연구의 새로운 길을 열어준다.