[论文解读] Non-Fermi-Liquid Behavior of Superconducting SnH$_4$

I. A. Troyan, Dmitrii V. Semenok+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2023

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 8

一句话总结

论文报告在高压下的超导 SnH4 表现出非费米液体行为，与 Bloch-Grüneisen 散射的偏差以及超导特性的磁场依赖性异常。它还量化了超导隙和临界场的行为。

ABSTRACT

We studied chemical interaction of Sn with H$_2$ by X-ray diffraction methods at pressures of 180-210 GPa. A previously unknown tetrahydride SnH$_4$ with a cubic structure (${fcc}$) exhibiting superconducting properties below ${T}$$_C$ = 72 K was obtained; the formation of a high molecular ${C2/m}$-SnH$_{14}$ superhydride and several lower hydrides, ${fcc}$ SnH$_2$ and ${C2}$-Sn$_{12}$H$_{18}$, was also detected. The temperature dependence of critical current density ${J}$$_C$(T) in SnH$_4$ yields the superconducting gap 2$Δ$(0) = 23 meV at 180 GPa. SnH$_4$ has unusual behavior in strong magnetic fields: ${B,T}$-linear dependences of magnetoresistance and the upper critical magnetic field ${B}$$_{C2}$(T) $\propto$ (${T}$$_C$ - ${T}$). The latter contradicts the Wertheimer-Helfand-Hohenberg model developed for conventional superconductors. Along with this, the temperature dependence of electrical resistance of ${fcc}$ SnH$_4$ in non-superconducting state exhibits a deviation from what is expected for phonon-mediated scattering described by the Bloch-Grüneisen model, and is beyond the framework of the Fermi liquid theory. Such anomalies occur for many superhydrides, making them much closer to cuprates than previously believed.

研究动机与目标

• 在极端压力（180–210 GPa）下研究 Sn 与 H2 的化学相互作用以合成 SnH4 及相关氢化物。
• 表征 SnH4 的超导特性，包括超导隙和临界场。
• 考察传输和磁性在温度和磁场下的依赖性，以评估是否符合费米液体和传统超导体模型。
• 识别 SnH4 及相关超氢化物中标准声子介导散射和传统超导理论的偏差。

提出的方法

• 在 180–210 GPa 下进行 X 射线衍射以识别晶体结构和氢化物形成。
• 测量临界电流密度 Jc(T) 的温度依赖性以通过 V-I 特性提取超导隙。
• 使用 Talantsev–Tallon 模型从 V-I 数据确定超导隙。
• 研究上临界场 Bc2(T) 和磁阻的温度依赖性以评估是否符合传统 Werthamer–Helfand–Hohenberg 预期。
• 分析正常态电阻率随温度的变化以与 Bloch–Grüneisen 和费米液体预期进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 SnH4 在高压下是否展示传统的 BCS 型超导性还是非费米液体行为？
• RQ2 在约 180 GPa 下 SnH4 的超导参数（间隙、Tc、Bc2）及其随压力的演变如何？
• RQ3 SnH4 的磁阻、Jc(T) 和 Bc2(T) 如何偏离传统模型（Bloch–Grüneisen、WHH）？
• RQ4 SnH4 的正常态散射性质是什么，是否符合费米液理论？

主要发现

• 在 180–210 GPa 合成的 SnH4 显示 Tc = 72 K，180 GPa 时超导隙 2Δ(0) ≈ 23 meV。
• Bc2(T) 表现出 B、T 线性行为并遵循 Bc2(T) ∝ (Tc − T)，与传统超导体的 Werthamer–Helfand–Hohenberg 预测相矛盾。
• 磁阻在高场区域呈现 B 线性依赖。
• 正常态电阻率偏离 Bloch–Grüneisen 的预期，标志着超出标准声子介导散射的非费米液体行为。
• 观测到的 SnH4（及相关超氢化物）异常更接近于铜氧化物样行为，而非传统超导体。
• 结构分析显示为 fcc SnH4，并将 Studied 压力下的高氢化物（SnH14）及其他组成联系起来。