[论文解读] On the superconducting state of the organic conductor $(TMTSF)_2ClO_4$

Jun Shinagawa, Y. Kurosaki+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2007

Organic and Molecular Conductors Research参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究通过低温低场下的⁷⁷Se NMR自旋-晶格弛豫率（T₁⁻¹）测量，探究了(TMTSF)₂ClO₄的超导态。研究发现，在Hₛ ≈ 15 kOe处存在一个明显的转变，自旋磁化率恢复至正常态值，表明在超导态内可能存在场诱导的相变。低场区的超导态与具有节点的自旋单重态配对一致，而高场区的超导态仍不明确，可能涉及三重态配对或FFLO态。

ABSTRACT

$(TMTSF)_2ClO_4$ is a quasi-one dimensional organic conductor and superconductor with $T_c=1.4$K, and one of at least two Bechgaard salts observed to have upper critical fields far exceeding the paramagnetic limit. Nevertheless, the $^{77}$Se NMR Knight shift at low fields reveals a decrease in spin susceptibility $χ_s$ consistent with singlet spin pairing. The field dependence of the spin-lattice relaxation rate at 100mK exhibits a sharp crossover (or phase transition) at a field $H_s\sim15$kOe, to a regime where $χ_s$ is close to the normal state value, even though \hc2 $\gg H_s$.

研究动机与目标

• 使用⁷⁷Se NMR在低温低磁场下研究(TMTSF)₂ClO₄中超导性的本质。
• 通过探测自旋磁化率和弛豫动力学，解决Hc2 ≫ Hp的谜题。
• 确定在高场下超导态是否保持单重态，或是否转变为三重态或非均匀FFLO态。
• 利用NMR技术绘制(TMTSF)₂ClO₄的H–T相图，特别是在高场超导区。

提出的方法

• 在100 mK下，对两颗(TMTSF)₂ClO₄单晶沿a和b′晶轴方向施加磁场，进行⁷⁷Se NMR自旋-晶格弛豫率T₁⁻¹测量。
• 在一系列磁场下测量自旋-晶格弛豫率，以探测动态自旋磁化率。
• 采用顶部调谐NMR电路并外接匹配，实现了低于10 kOe的低场测量。
• 弛豫数据采用经验形式T₁T = C(T + Θ)进行分析，该形式与二维反铁磁自旋涨落特征相符。
• 将测量结果与¹³C标记样品的¹³C NMR弛豫数据进行比较，以验证超精细场的贡献。
• 通过T₁⁻¹的显著上升，确定了Hₛ ≈ 15 kOe处的相边界，表明自旋动力学发生改变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低磁场下，(TMTSF)₂ClO₄的超导态是否与自旋单重态配对一致？
• RQ2 在超导态内Hₛ ≈ 15 kOe处，自旋-晶格弛豫率T₁⁻¹为何出现尖锐上升？
• RQ3 高场超导态（H > Hₛ）是否表现出三重态配对或非均匀FFLO态的特征？
• RQ4 尽管Hc2 ≫ Hp，为何高场区的自旋磁化率会恢复至正常态值？
• RQ5 观测到的Hₛ转变是否可解释为真正的相变？高场超导相的性质是什么？

主要发现

• 低场下⁷⁷Se自旋-晶格弛豫率显示自旋磁化率χs下降，与超导态中自旋单重态配对一致。
• 在Hₛ ≈ 15 kOe处，T₁⁻¹出现尖锐转变，弛豫率突然上升并趋近于正常态值。
• 低场超导态中T₁⁻¹表现出微弱的温度依赖性，表明费米面上存在节点。
• 高场超导态（H > Hₛ）中T₁⁻¹接近正常态，表明自旋磁化率显著增强。
• Hₛ转变具有高度可重复性，¹³C NMR结果证实弛豫率的增加源于超精细场，而非仪器误差。
• 高场态仍无法解释，可能涉及向三重态配对态的转变或非均匀FFLO态，但尚未完全证实。