[论文解读] Distinct nodal and nematic superconducting phases in the 2D Ising superconductor NbSe2

Chang-Woo Cho, Jian Lyu+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2020

2D Materials and Applications参考文献 35被引用 7

一句话总结

本研究揭示了二维NbSe2中存在两种不同的超导相：在超导转变温度附近呈现六重节点的超导相，以及在较低温度下呈现无节点两重对称性的超导相。通过面内磁场方向分辨磁阻测量，作者证明上临界场（Hc2）的对称性从节点态演化为无节点态，表明存在由竞争超导通道驱动的非传统向列超导态，这与晶体对称性预期相悖。

ABSTRACT

Superconducting transition metal dichalcogenides like 2H-NbSe2 in their two-dimensional form (2D) exhibit a special form of Ising superconductivity in which the quasiparticle spins are firmly pinned in the direction perpendicular to the basal plane. This enables them to withstand exceptionally high magnetic fields far beyond the Pauli limit for superconductivity. We use field-angle-resolved magnetoresistance experiments for magnetic fields strictly rotated in the basal plane to investigate the dependence of the upper critical field (Hc2) on the orientation of the field in the plane. The field angle dependence of Hc2 directly reflects the symmetry of the superconducting order parameter. We observe a transformation from a six-fold nodal symmetry near Hc2(T) to a two-fold nodeless symmetry at lower temperatures. While the first phase agrees with theoretical predictions of a nodal topological superconducting phase, the observation of a second distinct superconducting phase with nodeless two-fold symmetry is unexpected and contradicts the crystalline symmetry. It may therefore be another example of an unconventional nematic superconducting phase besides doped superconducting Bi2Se3, and we demonstrate that in NbSe2 such a nematic state can indeed arise from the presence of several competing superconducting channels.

研究动机与目标

• 研究在面内磁场下二维NbSe2中超导序参量对称性的特征。
• 理解超导态中出乎意料的无节点两重对称性的起源。
• 确定竞争超导通道是否能够稳定一种非传统向列超导相。

提出的方法

• 在基平面内严格旋转磁场，进行磁场方向分辨的磁阻测量。
• 测量上临界场（Hc2）随磁场方向的变化，以探测超导序参量的对称性。
• 分析Hc2的角依赖性，以区分节点态与无节点超导态。
• 将实验测得的Hc2角依赖性与节点态和无节点超导相的理论预测进行比较。
• 利用温度依赖性测量，追踪对称性从六重节点态向两重无节点行为的演化过程。
• 从对称性破缺的向列态的出现推断存在多个竞争的超导通道。

实验结果

研究问题

• RQ1 在二维NbSe2中，上临界场（Hc2）的角依赖性如何随温度演化？
• RQ2 在低温下，超导序参量表现出何种对称性？其是否与晶体对称性一致？
• RQ3 所观测到的无节点两重对称性能否由常规超导机制解释，还是表明存在非传统向列相？
• RQ4 竞争超导通道在稳定向列超导态中扮演何种角色？
• RQ5 所观测到的向列超导相是否与拓扑或非传统超导性的理论模型一致？

主要发现

• 在超导转变温度附近，上临界场（Hc2）表现出六重节点对称性，与节点态拓扑超导体的理论预测一致。
• 在较低温度下，Hc2转变为无节点两重对称性，表明存在具有旋转对称性破缺的独立超导相。
• 考虑到NbSe2具有六重晶体对称性，这种无节点两重对称性出乎意料，暗示存在非传统向列超导态。
• 该向列相的出现归因于多个竞争超导通道的存在。
• 所观测到的对称性破缺无法仅由系统的晶体结构解释，表明超导体中向列性的新颖机制。
• 结果为NbSe2中存在非传统向列超导相提供了证据，其与掺杂Bi2Se3相似但又有所不同。