[论文解读] Heat capacity evidence for conventional superconductivity in the Type-II Dirac semi-metal PdTe$_2$

Amit, Yogesh Singh|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究通过高质单晶的比热、电输运和磁阻测量，探究了在Type-II狄拉克半金属PdTe₂中的超导性。尽管该材料具有非平凡的拓扑费米面，但比热数据揭示了BCS类电子比热异常（ΔC/γTc ≈ 1.52）、指数型低温依赖关系以及常规的H–T相图，表明PdTe₂中的超导性本质上是传统的s波超导，而非拓扑超导。

ABSTRACT

We use electrical transport, magnetoresistance, and heat capacity measurements on high quality single crystals of the recently discovered superconducting Type-II Dirac semi-metal PdTe$_2$, to probe the nature of it's superconducting phase. The magnitude of the electronic heat capacity anomaly at $T_c$, the low temperature exponential $T$ dependence of the heat capacity, and a conventional $H - T$ phase diagram establish that the superconductivity in PdTe$_2$ is conventional in nature despite the presence of a topologically non-trivial Fermi surface band which contributes to the electrical conduction.

研究动机与目标

• 确定Type-II狄拉克半金属PdTe₂中的超导性是否为传统或拓扑性质。
• 研究体材料中拓扑电子能带结构与超导配对之间的相互作用。
• 利用热力学测量确定PdTe₂中超导性的配对对称性和能隙结构。
• 通过分析比热异常和临界磁场行为，排除拓扑超导的可能性。

提出的方法

• 使用He3系统将比热测量降至0.4 K，以探测超导转变和电子比热。
• 测量电输运和磁阻以确认超导性，并确定临界温度Tc ≈ 1.7 K。
• 通过从零场下总C(T)数据中减去晶格（βT³）项，分离出电子比热贡献。
• 将低温C(T)数据拟合为C_el/T = γ_res + A exp(–Δ/T)，以探测超导能隙结构。
• 利用C(T)数据在不同磁场下的等熵构造方法构建H–T相图。
• 将临界磁场H_c(T)拟合为BCS表达式H_c(T) = H_c(0)[1 – (T/T_c)²]，以评估其传统行为特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管具有Type-II狄拉克能带结构，PdTe₂中的超导态是否表现出拓扑超导的特征？
• RQ2 在T_c处的电子比热异常ΔC的大小是多少？其与BCS理论预期值相比如何？
• RQ3 低温比热是否表现出指数型T依赖关系，表明为完全能隙的s波超导体？
• RQ4 H–T相图是否与传统的BCS超导性一致？

主要发现

• 在T_c处的电子比热异常给出ΔC/γTc ≈ 1.52，接近弱耦合单能隙超导体的BCS值1.43。
• 低温C_el/T数据与指数拟合C_el/T = γ_res + A exp(–Δ/T)高度一致，表明为完全能隙的s波超导态。
• 剩余索末菲系数γ_res = 0.4 mJ/mol K²，表明约7%的样品体积为非超导区域。
• H–T相图符合BCS形式H_c(T) = H_c(0)[1 – (T/T_c)²]，其中H_c(0) = 195(2) Oe，T_c = 1.78 K，由拟合得出。
• 超导转变尖锐且未展宽，由等熵构造得出T_c = 1.72 K，表明样品质量高且为体超导。
• 所有热力学证据——比热异常、能隙结构和H–T相图——均指向PdTe₂中为传统的s波超导。