[论文解读] Physical properties of noncentrosymmetric superconductor Ru$_7$B$_3$

Lei Fang, Huan Yang+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2008

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用 5

一句话总结

本研究识别出Ru7B3为非中心对称超导体，Tc = 3.3 K，表明其主要为s波配对、单带、第二类超导体，且电子-声子耦合较弱。在磁场下电阻率中出现的异常kink特征，提示由于缺乏反演对称性而可能存在的自旋三重态混合成分，这可能源于反称自旋轨道耦合。

ABSTRACT

Transition metal boride Ru$_7$B$_3$ was found to be a noncentrosymmetric superconductor with $T_{C}$ equal to 3.3 K. Superconducting and normal state properties of Ru$_7$B$_3$ were determined by a self-consistent analysis through resistivity($ρ_{xx}$ and $ρ_{xy}$), specific heat, lower critical field measurement and electronic band structure calculation. It is found that Ru$_7$B$_3$ belongs to an s-wave dominated single band superconductor with energy gap 0.5 meV and could be categorized into type II superconductor with weak electron-phonon coupling. Unusual 'kink' feature is clearly observed in field-broadening resistivity curves, suggesting the possible mixture of spin triplet induced by the lattice without inversion symmetry.

研究动机与目标

• 识别并表征Ru7B3为Tc = 3.3 K的非中心对称超导体。
• 利用输运、热力学和电子能带结构测量，确定Ru7B3的超导配对对称性和电子结构。
• 研究反称自旋轨道耦合（ASOC）在缺乏反演对称性条件下诱导超导态中自旋三重态分量的作用。
• 通过自洽分析电阻率、比热和下临界场数据，评估s波主导与可能的自旋三重态混合之间的相互作用。
• 阐明磁场中异常电阻率kink特征的起源，可能与非中心对称体系中的ASOC效应相关。

提出的方法

• 通过在Ar/H2气氛下1000 °C下固相烧结100小时，制备多晶Ru7B3样品。
• X射线衍射证实其具有六方P63mc空间群结构，晶格参数与Ru7B3一致。
• 利用PPMS（最低至50 mK）和MPMS（最低至2 K）进行输运和热力学测量，包括电阻率（ρxx, ρxy）、磁阻、霍尔系数、比热和下临界场（Hc1）。
• 从1.8 K到150 K测量交流磁化率和磁化率（FC/ZFC），以探测正常态的磁响应。
• 采用全势线性muffin-tin轨道（FP-LMTO-PLW）方法进行电子能带结构和态密度（DOS）计算。
• 对电阻率、比热和Hc1数据进行自洽拟合，以提取超导参数（Δ, Tc, γ, ΘD, m*, n, l, ρn）。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ru7B3是否为非中心对称超导体？其超导转变温度是多少？
• RQ2 Ru7B3的配对对称性是什么——s波、d波，还是包含自旋三重态分量的混合态？
• RQ3 缺乏反演对称性如何影响超导性质，特别是通过反称自旋轨道耦合？
• RQ4 在磁场展宽的电阻率曲线上观察到的异常kink特征由何引起？
• RQ5 上临界场（Hc2）是否受轨道效应或泡利顺磁限制？

主要发现

• Ru7B3表现出Tc = 3.3 K的超导转变，由电阻率、比热和交流磁化率测量共同确认。
• 超导态以s波配对为主，能隙能量Δ = 0.5 meV，比热数据拟合至各向同性s波BCS模型得到证实。
• 下临界场Hc1 ≈ 0.14 T与第二类超导体行为一致，支持s波配对，未发现线节点或点节点的证据。
• 泡利顺磁极限Hp(0) ≈ 6 T超过实测Hc2（99% ρn ≈ 5 T），表明轨道配对破坏占主导，而非自旋轨道效应。
• 磁场展宽电阻率曲线中的异常kink特征提示可能存在自旋三重态混合，可能由非中心对称晶格中的反称自旋轨道耦合引起。
• 正常态磁化率在~40 K（FC）出现圆滑驼峰，在~55 K（ZFC）出现峰值，可能与Ru 4d电子态或磁涨落有关，尽管杂质贡献无法完全排除。