[논문 리뷰] Superconductivity in novel quasi-one-dimensional ternary molybdenum pnictides Rb2Mo3As3 and Cs2Mo3As3

Kang Zhao, Qing-Ge Mu외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 29.

Iron-based superconductors research참고 문헌 5인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 고체상 반응를 통해 신규 1차원에 가까운 초전도체 Rb2Mo3As3 및 Cs2Mo3As3의 합성과 특성화를 보고하며, 각각 10.6 K 및 11.5 K에서 초전도 전이를 나타낸다. 이 물질들은 약한 음성 화학적 압력 효과를 보이며, Cs2Mo3As3의 경우 약 60 T에 이르는 매우 높은 상한 임계장(upper critical field)을 나타내어, 저차원 시스템에서 4d 전자 기반 초전도성의 연구에 유일한 플랫폼을 제공한다.

ABSTRACT

By replacing the alkali element in the newly discovered K2Mo3As3 superconductor, we successfully synthesized ternary molybdenum pnictides Rb2Mo3As3 and Cs2Mo3As3 through solid state reaction method. Powder X-ray diffraction analysis reveals the same quasi-one-dimensional (Q1D) hexagonal crystal structure and space group of P-6m2 (No. 187) as K2Mo3As3. The refined lattice parameters are a = 10.432 (1) Å, c = 4.4615 (6) Å for Rb2Mo3As3 and a = 10.7405 (6) Å, c = 4.4654 (5) Å for Cs2Mo3As3. Electrical resistivity and magnetic susceptibility characterizations exhibit the occurrence of superconductivity in both compounds with the onset Tc at 10.6 K and 11.5 K for Rb2Mo3As3 and Cs2Mo3As3 respectively, which exhibit weak negative chemical pressure effect in these A2Mo3As3 (A = K, Rb, Cs) superconductors contrary to the isostructural A2Cr3As3 superconductors. More interestingly, the Cs2Mo3As3 superconductor exhibits much higher upper critical field around 60 T at zero temperature. The discovery of these MoAs/CrAs-based superconductors provide a unique platform for the study of exotic superconductivity correlated with both 3d and 4d electrons in these Q1D compounds.

연구 동기 및 목표

• K2Mo3As3의 K를 Rb 및 Cs로 치환함으로써 Mo 기반 아연화물에서의 알칼리 금속 치환 효과가 초전도성에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 최근 합성된 A2Mo3As3 (A = Rb, Cs) 화합물의 구조적 및 전자적 성질을 조사하기 위해.
• 이 1차원에 가까운 초전도체에서의 초전도 전이 온도 및 상한 임계장을 결정하기 위해.
• 화학적 압력 하에서 Mo 기반 및 Cr 기반 A2M3As3 시스템의 행동을 비교하기 위해.
• 저차원 시스템에서 4d 전자에 기여하는 특이한 초전도성의 연구 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 고온에서 고체상 반응 방법을 사용하여 Rb2Mo3As3 및 Cs2Mo3As3를 합성하였다.
• 육각형 격자 구조 및 공간군 P-6m2 (번호 187)를 확인하기 위해 파우더 X선 회절을 수행하였다. 이는 K2Mo3As3와 동일하다.
• 전기 저항 측정을 통해 초전도 전이 시작 온도(Tc)를 결정하였다.
• 부피 초전도성의 확인 및 Tc의 결정을 위해 자성 비율 측정을 실시하였다.
• 화학적 압력 효과 평가를 위해 A2Mo3As3 (A = K, Rb, Cs)의 격자 상수 및 구조적 경향성을 분석하였다.
• 자기 측정을 통해 Cs2Mo3As3의 상한 임계장(Hc2)을 평가하였으며, 영 온도에서 약 60 T로 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 A2Mo3As3 화합물에서 알칼리 금속 치환(K → Rb, Cs)이 초전도 전이 온도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 Rb2Mo3As3 및 Cs2Mo3As3의 구조적 매개변수는 K2Mo3As3와 비교하여 어떻게 다른가? 이는 화학적 압력에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 Cs2Mo3As3의 상한 임계장은 얼마이며, 다른 1차원에 가까운 초전도체와 비교해보면 어떠한가?
• RQ4 Mo 기반 A2Mo3As3 초전도체의 초전도 행동은 이소구조적인 Cr 기반 A2Cr3As3 초전도체와 어떻게 다를까?
• RQ5 Mo 기반 시스템에서 4d 전자는 이 1차원에 가까운 물질에서 관측된 초전도성에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 저항 측정 및 자성 비율 측정을 통해 Rb2Mo3As3는 10.6 K에서 초전도 전이 시작을 보임을 확인하였다.
• Cs2Mo3As3는 더 높은 초전도 전이 온도 11.5 K를 나타내어 초전도 성립이 강화되었음을 시사한다.
• Rb2Mo3As3 (a = 10.432(1) Å, c = 4.4615(6) Å) 및 Cs2Mo3As3 (a = 10.7405(6) Å, c = 4.4654(5) Å)의 격자 상수는 공간군 P-6m2를 가진 1차원에 가까운 육각형 격자 구조를 확인한다.
• 이 화합물들은 약한 음성 화학적 압력 효과를 나타내며, 이소구조적인 A2Cr3As3 시스템에서 관찰된 행동과 대조된다.
• Cs2Mo3As3는 영 온도에서 약 60 T에 이르는 매우 높은 상한 임계장을 나타내어 강한 스핀-오비탈 결합 또는 비국소적 쌍성(pairing)을 시사한다.
• 이러한 MoAs 기반 초전도체의 발견은 저차원적, 1차원에 가까운 물질에서 4d 전자 기반 초전도성의 연구를 위한 새로운 플랫폼을 제공한다.