[논문 리뷰] Distinct nodal and nematic superconducting phases in the 2D Ising superconductor NbSe2

Chang-Woo Cho, Jian Lyu외 8명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 27.

2D Materials and Applications참고 문헌 35인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 2D NbSe2에서 두 가지 별개의 초전도 상을 규명한다: 초전도 전이 온도 근처에서는 6중 노드가 있는 상과 낮은 온도에서는 노드가 없는 이중 대칭 상이다. 면내 자기장의 각도에 따른 자기저항 측정을 통해 저자들은 상한 임계 자기장(Hc2)의 대칭성이 노드가 있는 상태에서 노드가 없는 상태로 변화함을 입증하였으며, 이는 경쟁하는 초전도 채널에 의해 유도되는 비정상적인 나치스 초전도 상태임을 시사한다. 이는 결정 대칭성에 기반한 기대와는 정면으로 배치된다.

ABSTRACT

Superconducting transition metal dichalcogenides like 2H-NbSe2 in their two-dimensional form (2D) exhibit a special form of Ising superconductivity in which the quasiparticle spins are firmly pinned in the direction perpendicular to the basal plane. This enables them to withstand exceptionally high magnetic fields far beyond the Pauli limit for superconductivity. We use field-angle-resolved magnetoresistance experiments for magnetic fields strictly rotated in the basal plane to investigate the dependence of the upper critical field (Hc2) on the orientation of the field in the plane. The field angle dependence of Hc2 directly reflects the symmetry of the superconducting order parameter. We observe a transformation from a six-fold nodal symmetry near Hc2(T) to a two-fold nodeless symmetry at lower temperatures. While the first phase agrees with theoretical predictions of a nodal topological superconducting phase, the observation of a second distinct superconducting phase with nodeless two-fold symmetry is unexpected and contradicts the crystalline symmetry. It may therefore be another example of an unconventional nematic superconducting phase besides doped superconducting Bi2Se3, and we demonstrate that in NbSe2 such a nematic state can indeed arise from the presence of several competing superconducting channels.

연구 동기 및 목표

• 면내 자기장에서 2D NbSe2의 초전도 오더 파라미터 대칭성을 조사하기 위해.
• 초전도 상태에서 예상치 못한 노드가 없는 이중 대칭성의 기원을 이해하기 위해.
• 경쟁하는 초전도 채널이 비정상적인 나치스 초전도 상을 안정화시킬 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 자기장이 기저 평면 내에서 정확히 변위되는 각도에 따른 자기저항 측정을 수행하기 위해.
• 초전도 오더 파라미터의 대칭성을 조사하기 위해 자기장 방향에 따라 상한 임계 자기장(Hc2)을 측정하기 위해.
• Hc2의 각도 의존성을 분석하여 노드가 있는 초전도 상태와 노드가 없는 초전도 상태를 구별하기 위해.
• 노드가 있는 초전도 상과 노드가 없는 초전도 상에 대한 이론 예측과 실험적 Hc2 각도 의존성을 비교하기 위해.
• 온도 의존성 측정을 통해 6중 노드에서 이중 노드가 없는 행동으로의 대칭성 변화를 추적하기 위해.
• 대칭성이 깨진 나치스 상태의 출현을 통해 다수의 경쟁하는 초전도 채널 존재를 유추하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2D NbSe2에서 상한 임계 자기장(Hc2)의 각도 의존성은 온도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 낮은 온도에서 초전도 오더 파라미터는 어떤 대칭성을 나타내며, 이는 결정 대칭성과 일치하는가?
• RQ3 관측된 노드가 없는 이중 대칭성은 전통적인 초전도 메커니즘으로 설명될 수 있는가, 아니면 비정상적인 나치스 상을 시사하는가?
• RQ4 경쟁하는 초전도 채널은 나치스 초전도 상태를 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 관측된 나치스 초전도 상은 위상적 또는 비정상 초전도 이론 모델과 일치하는가?

주요 결과

• 상한 임계 자기장(Hc2)은 초전도 전이 온도 근처에서 이론 예측과 일치하는, 노드가 있는 6중 대칭성을 나타낸다. 이는 노드가 있는 위상적 초전도체에 대한 이론 예측과 일치한다.
• 낮은 온도에서는 Hc2가 노드가 없는 이중 대칭성으로 전이되며, 이는 회전 대칭성이 깨진 별개의 초전도 상을 나타낸다.
• 노드가 없는 이중 대칭성은 NbSe2의 6중 결정 대칭성과는 정면으로 배치되며, 비정상적인 나치스 초전도 상태임을 시사한다.
• 이러한 나치스 상의 출현은 다수의 경쟁하는 초전도 채널 존재에 기인한다.
• 이러한 대칭성 깨짐은 시스템의 결정 구조만으로는 설명될 수 없으며, 초전도체에서 나치스 성질을 유도하는 새로운 메커니즘을 시사한다.
• 결과는 doped Bi2Se3와 유사하지만 다른 특성을 지닌 비정상적인 나치스 초전도 상이 NbSe2에 존재함을 입증한다.