[论文解读] Enhanced Upper Critical Fields in a New Quasi-one-dimensional Superconductor Nb2PdxSe5

Seunghyun Khim, Bumsung Lee+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2013

Iron-based superconductors research被引用 4

一句话总结

本研究报道在一种新型准一维超导体 Nb₂PdₓSe₅ 中观测到 Tc = 5.5 K 的超导转变，其中沿 b 方向的 Nb-Se 链形成 b-c* 传导平面。该材料表现出异常高的上临界场——沿 b 方向最高达 35 T，超过 BCS 保罗限制，表明其低维电子结构可能与强自旋-轨道耦合或多重能带效应相关。

ABSTRACT

We report a discovery of superconductivity with Tc = 5.5 K in Nb2PdxSe5, in which one-dimensional (1D) Nb-Se chains existing along the b-direction hybridize each other to form the conducting b-c* plane. The magnetic susceptibility and specific heat data in both single- and poly-crystals show evidence of bulk superconductivity. The resistivity, Hall coefficient, and magneto-resistance data all indicate the presence of an energy scale T* = ~ 50 K, which becomes systematically lowered under hydrostatic pressure and competes with the stabilization of superconductivity. Combined with the band calculation results showing the Fermi surfaces with 1D character, we postulate that the energy scale T* is related to a formation of a density wave or a stabilization of low dimensional electronic structure. The zero temperature upper critical field, Hc2(0), of the single crystal is found to be 10.5, 35 and 22 T in the a', b and c*-directions, respectively. While the linearly increasing Hc2(T) for H // c* indicates the multi-band effect, Hc2(0) for H // b and c* are found to be much bigger than the BCS Pauli limiting field, 1.84 Tc ~ 9 T. The suppressed Pauli paramagnetic effect points to a possibility of the enhanced spin-orbit scattering related to the low dimensional electronic structure or the presence of heavy elements such as Pd.

研究动机与目标

• 研究新合成的准一维超导体 Nb₂PdₓSe₅ 的超导特性。
• 确定观测到的高上临界场是否超过 BCS 保罗限制，表明非常规配对机制的存在。
• 探讨竞争能量尺度 T* ~ 50 K 的起源，该尺度在静水压下减小。
• 将能带计算得到的电子结构与输运及热力学测量结果相关联。
• 评估自旋-轨道耦合以及重元素（Pd）在抑制保罗顺磁限制效应中的作用。

提出的方法

• 合成单晶和多晶 Nb₂PdₓSe₅ 样品，用于结构与电子特性表征。
• 通过磁化率和比热测量确认体超导性。
• 测量电阻率、霍尔系数和磁阻，以识别 T* ~ 50 K 的能量尺度。
• 测定上临界场 Hc₂(T) 沿三个晶轴方向（a', b, c*）的温度与场依赖关系。
• 进行能带结构计算，分析费米面拓扑并确认一维特性。
• 将实验测得的 Hc₂(0) 值与 BCS 保罗限制（1.84 × Tc）比较，评估自旋-轨道耦合或多重能带效应引起的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 Nb₂PdₓSe₅ 是否表现出体超导性，其转变温度 Tc 是多少？
• RQ2 为何沿 b 和 c* 方向的上临界场 Hc₂(0) 超过 BCS 保罗限制（9 T）？
• RQ3 在电阻率和霍尔测量中观测到的 T* ~ 50 K 能量尺度的起源是什么？
• RQ4 静水压如何影响 T* 与超导性之间的竞争？
• RQ5 自旋-轨道耦合或多重能带效应在多大程度上可解释增强的 Hc₂(0) 值？

主要发现

• 通过单晶和多晶样品的磁化率与比热测量，确认超导转变温度 Tc = 5.5 K。
• 零温上临界场 Hc₂(0) 沿 a' 方向达 10.5 T，沿 b 方向达 35 T，沿 c* 方向达 22 T。
• 沿 b 和 c* 方向的 Hc₂(0) 值超过 BCS 保罗限制（1.84 × Tc ≈ 9 T），表明保罗顺磁限制效应被抑制。
• 当磁场沿 c* 方向时，Hc₂(T) 的场依赖关系呈线性行为，提示存在多重能带超导机制。
• 在电阻率和霍尔数据中观测到的 T* ~ 50 K 能量尺度，在静水压下系统性减小，并与超导性竞争。
• 能带结构计算证实存在具有一维特性的费米面，支持 T* 与电荷密度波形成或低维电子不稳定性相关的假设。