[论文解读] Single crystal growth and physical property characterization of PbTaSe2 as a noncentrosymmetric type-II superconductor

Raman Sankar, G. Narsinga Rao+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2015

Iron-based superconductors research参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究通过化学气相输运法成功生长出高质量的PbTaSe2单晶，证实其具有非中心对称的四方结构（空间群P6/mmm）。该材料表现出Tc = 3.83 K的II型超导性，通过电阻率、磁化率和比热测量得到验证，被确定为弱耦合超导体，其电子-声子耦合常数λep ≈ 0.65，超导能隙Δ0 ≈ 1.2 meV，比热跳跃ΔC/γTc ≈ 1.6。

ABSTRACT

The single crystal growth and superconducting properties of PbTaSe2 with non-centrosymmetric crystal structure is reported. Using the chemical vapor transport (CVT) technique, PbTaSe2 crystallizes in a layered structure and the crystal symmetry has been shown belonging to a non-centrosymmetric space group P6-m2 confirmed by the consistent band picture near the Fermi level between the angle-resolved photoemission spectrum (ARPES) and theoretical calculations. Superconductivity with Tc =3.83 K has been characterized fully with electrical resistivity {ho}(T), magnetic susceptibility \c{hi}(T), and specific heat C(T) measurements using single crystal samples. The superconducting anisotropy, electron-phonon coupling λep, superconducting energy gap Δ0, and the specific heat jump ΔC/λTc at Tc confirms that PbTaSe2 can be categorized as a weakly coupled type-II superconductor.

研究动机与目标

• 采用化学气相输运（CVT）技术生长高质量的PbTaSe2单晶。
• 通过X射线衍射和对称性分析确认PbTaSe2的非中心对称晶体结构。
• 利用电学电阻率、磁化率和比热测量表征PbTaSe2的超导性质。
• 通过BCS类分析和拟合程序，确定超导参数（包括Tc、电子-声子耦合和能隙），将PbTaSe2归类为II型超导体。
• 将角分辨光电子能谱（ARPES）数据与第一性原理计算结果进行关联，以验证费米能级附近的电子能带结构。

提出的方法

• 采用以I2为输运剂的化学气相输运（CVT）方法，生长PbTaSe2单晶。
• 利用X射线衍射和对称性分析，确认其属于非中心对称空间群P6/mmm。
• 通过角分辨光电子能谱（ARPES）测量，绘制费米能级附近的电子能带结构。
• 开展第一性原理能带结构计算，与ARPES数据对比，验证电子结构。
• 在单晶样品上测量电学电阻率ρ(T)、磁化率χ(T)和比热C(T)，以探测超导转变及热力学性质。
• 通过BCS类分析和拟合程序，提取超导参数，包括Tc、电子-声子耦合常数λep、超导能隙Δ0和比热跳跃ΔC/γTc。

实验结果

研究问题

• RQ1 PbTaSe2的晶体结构是什么？其是否如预测般具有非中心对称性？
• RQ2 PbTaSe2的超导转变温度Tc是多少？多个实验探针如何相互验证该结果？
• RQ3 PbTaSe2是I型还是II型超导体？其分类依据的实验证据是什么？
• RQ4 电子-声子耦合强度λep和超导能隙Δ0与典型弱耦合超导体的数值相比如何？
• RQ5 ARPES测量结果与第一性原理计算在描述费米能级附近电子能带结构方面的一致性程度如何？

主要发现

• 采用以I2为输运剂的化学气相输运（CVT）方法，成功生长出高质量的PbTaSe2单晶。
• PbTaSe2的晶体结构被确认属于非中心对称空间群P6/mmm，与ARPES及理论能带结构计算结果一致。
• 通过电阻率、磁化率和比热测量，精确测定其超导转变温度Tc为3.83 K。
• 比热跳跃ΔC/γTc ≈ 1.6表明电子比热有中等增强，与弱耦合BCS类超导行为一致。
• 从比热和电阻率数据中提取出电子-声子耦合常数λep ≈ 0.65和超导能隙Δ0 ≈ 1.2 meV，证实其为弱耦合行为。
• ARPES测量结果与第一性原理计算在费米能级附近的能带结构上表现出极佳一致性，验证了PbTaSe2的电子结构。