[論文レビュー] Superconductivity by Sr Intercalation in Layered Topological Insulator Bi2Se3

Shruti, V. K. Maurya+3 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 2被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、トポロジカル絶縁体Bi2Se3のファンデルワールス層間におけるストロンチウム（Sr）のインターカレーションが、臨界温度（Tc）2.9 Kの超伝導を誘発することを示している。輸送および熱電測定から、弱い異方性、低キャリア濃度（1.85 × 10¹⁹ cm⁻³）、および非単純超伝導の兆候が明らかとなり、ギンツブルグ＝ランダウパラメータおよび上臨界磁場測定によって裏付けられている。

ABSTRACT

Strontium intercalation between van der Waals bonded layers of topological insulator Bi2Se3 is found to induce superconductivity with a maximum Tc of 2.9 K. Transport measurement on single crystal of optimally doped sample Sr0.1Bi2Se3 shows weak anisotropy (1.5) and upper critical field Hc2(0) equals to 2.1 T for magnetic field applied per-pendicular to c -axis of the sample. The Ginzburg-Landau coherence lengths are Xi-ab = 15.3 Å and Xi_c = 10.2 Å. The lower critical field and zero temperature penetration depth Lambda(0) are estimated to be 0.35 mT and 1550 nm respectively. Hall and Seebeck measurements confirm the dominance of electronic conduction and the carrier concentration is surprisingly low (n = 1.85 x 10^19 cm-3) at 10 K indicating possibility of unconventional superconductivity.

研究の動機と目的

• 層状トポロジカル絶縁体Bi2Se3におけるSrインターカレーションによる超伝導の出現を調査すること。
• SrドーピングされたBi2Se3における超伝導転移温度（Tc）および電子輸送特性を特定すること。
• 異方性、コherence長、キャリア濃度の分析を通じて、超伝導の性質を評価すること。
• 低キャリア密度および輸送挙動に基づいて、非単純超伝導の可能性を評価すること。

提案手法

• 最適なSrインターカレーションを得るため、固体拡散法を用いてSr0.1Bi2Se3の単結晶を合成した。
• 磁場を変化させた状態での抵抗率測定により、Tc、上臨界磁場（Hc2）、異方性を抽出した。
• ギンツブルグ＝ランダウ理論を適用し、コherence長（ξ_ab = 15.3 Å、ξ_c = 10.2 Å）および穿透深さ（λ(0) = 1550 nm）を推定した。
• ホール効果およびサーモエレクトリック測定を用いて、キャリア濃度を決定し、電子的伝導の優位性を確認した。
• 磁場をc軸に垂直に印加したときの抵抗率の上昇から、下臨界磁場（Hc1）を推定した。
• データ解析は、特に低キャリア密度に基づく非単純超伝導の兆候の特定に注力した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SrインターカレーションによってBi2Se3に誘発される超伝導の臨界温度（Tc）は何か？
• RQ2 SrドーピングされたBi2Se3における超伝導状態の異方性はどの程度で、ペアリング対称性に何を示唆するか？
• RQ3 超伝導相におけるキャリア濃度は何か？ これは非単純ペアリングを支持するか？
• RQ4 ギンツブルグ＝ランダウパラメータ（ξ、λ）および上臨界磁場（Hc2）は、超伝導状態をどのように特徴づけるか？
• RQ5 ホール効果およびサーモエレクトリック測定から、電子的伝導の優位性および低キャリア密度を裏付ける証拠は何か？

主な発見

• Srインターカレーションにより、Bi2Se3に最大臨界温度（Tc）2.9 Kの超伝導が誘発された。
• 磁場をc軸に垂直に印加した場合の上臨界磁場Hc2(0)は2.1 Tであり、中程度のペア破壊効果を示している。
• ギンツブルグ＝ランダウのコherence長は、面内方向（ξ_ab = 15.3 Å）および面外方向（ξ_c = 10.2 Å）で、弱い異方性（比 ≈ 1.5）を示している。
• 零温での穿透深さλ(0)は1550 nmと推定され、下臨界磁場Hc1は0.35 mTであった。
• ホール効果およびサーモエレクトリック測定により、電子的伝導が確認され、10 Kにおける低キャリア濃度は1.85 × 10¹⁹ cm⁻³であった。
• 低キャリア濃度および輸送挙動から、Sr0.1Bi2Se3における非単純超伝導の可能性が示唆された。