[论文解读] Evidence for nodal superconductivity in quasi-one-dimensional K$_2$Cr$_3$As$_3$

G. M. Pang, M. Smidman+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2015

Iron-based superconductors research参考文献 5被引用 16

一句话总结

本研究通过隧道二极管振荡器对伦敦穿透深度的测量，为准一维K₂Cr₃As₃中的节点型超导提供了直接实验证据。在低温下（T ≪ Tc），Δλ(T) 的线性温度依赖关系证实了超导能隙中存在节点，表明这种新型q1D超导体具有非传统配对对称性。

ABSTRACT

The recent discovery of superconductivity in the quasi-one-dimensional compound K$_2$Cr$_3$As$_3$, which consists of double-walled tubes of [(Cr$_3$As$_3$)$^{2-}]^\infty$ that run along the c axis, has attracted immediate attention as a potential system for studying superconductors with reduced dimensionality. Here we report clear experimental evidence for the unconventional nature of the superconducting order parameter in K$_2$Cr$_3$As$_3$, by precisely measuring the temperature dependence of the change in the penetration depth $Δλ(T)$ using a tunnel diode oscillator. Linear behavior of $Δλ(T)$ is observed for $T\ll T_c$, instead of the exponential behavior of conventional superconductors, indicating that there are line nodes in the superconducting gap. This is strong evidence for unconventional behavior and may provide key information for identifying the pairing state of this novel superconductor.

研究动机与目标

• 确定新发现的准一维超导体K₂Cr₃As₃中超导序参量的性质。
• 鉴于其异常的上临界场和低维结构，研究K₂Cr₃As₃中的超导是否为非传统超导。
• 通过精确测量伦敦穿透深度，区分传统BCS行为与非传统节点型超导。
• 确定所观测到的Δλ(T)的线性T依赖关系是材料的本征性质，还是样品质量或晶粒间耦合的伪影。

提出的方法

• 使用隧道二极管振荡器技术测量多晶K₂Cr₃As₃样品的伦敦穿透深度Δλ(T)随温度的变化。
• 对高质量样品和质量较差的样品进行测量，以评估样品纯度和超导转变锐度的影响。
• 通过分析Δλ(T) ∼ T^n的幂律依赖关系，区分表示节点或杂质散射的线性（n = 1）与非线性（n > 1）行为。
• 将多晶样品的测量结果与粉末样品及初步单晶测量结果进行比较，以排除约瑟夫森耦合的贡献。
• 利用核磁共振（NMR）数据中未观测到赫贝尔-施利希特尔相干峰作为非传统配对的补充证据。
• 通过测量同构Rb₂Cr₃As₃中超流密度的磁场依赖性，交叉验证节点行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 K₂Cr₃As₃中伦敦穿透深度的温度依赖关系是否偏离了传统BCS超导体预期的指数行为？
• RQ2 在低温下观测到的Δλ(T)线性T依赖关系是K₂Cr₃As₃的本征性质，还是样品非均匀性或晶粒间耦合的伪影？
• RQ3 质量较差的样品中Δλ(T)的幂律行为暗示了杂质散射和节点的存在，其意义是什么？
• RQ4 能否通过NMR或上临界场各向异性的独立测量确认K₂Cr₃As₃中的节点型超导态？
• RQ5 鉴于观测到的节点能隙结构，K₂Cr₃As₃中的超导配对是否与自旋三重态或自旋单重态对称性一致？

主要发现

• 在高质量K₂Cr₃As₃样品中，观察到低温下（T ≪ Tc）穿透深度Δλ(T)的线性温度依赖关系，表明超导能隙中存在节点。
• Δλ(T)的线性行为在多个具有尖锐超导转变的高质量样品中可重复且稳健，证实其为本征性质。
• 质量较差的样品表现出Δλ(T) ∼ T^n的幂律依赖关系，且n ≈ 2.4，与存在杂质散射时的节点行为一致。
• NMR测量中未观测到赫贝尔-施利希特尔相干峰，进一步支持K₂Cr₃As₃中存在非传统超导。
• 粉末样品及初步单晶数据的测量显示相似的线性Δλ(T)行为，排除了晶粒间约瑟夫森耦合的显著贡献。
• 同构Rb₂Cr₃As₃中超流密度的磁场依赖性呈现√H依赖关系，与节点型超导一致，进一步支持K₂Cr₃As₃中的发现。