[论文解读] NbReSi: A Noncentrosymetric Superconductor with Large Upper Critical Field

Hang Su, Tian Shang+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2021

Rare-earth and actinide compounds参考文献 65被引用 22

一句话总结

本研究报道在非中心对称化合物NbReSi中发现体超导性，转变温度Tc = 6.5 K。电学、磁学及比热测量揭示其具有完全能隙的超导态，上临界场较大，µ0Hc2(0) ≈ 12.6 T，接近泡利极限，而能带结构计算证实存在显著的自旋-轨道耦合引起的能带分裂。

ABSTRACT

We report the discovery of superconductivity in noncentrosymmetric NbReSi, which crystallizes in a hexagonal ZrNiAl-type crystal structure with space group $P\bar{6}2m$ (No.~189). Bulk superconductivity, with $T_c$ = 6.5 K was characterized via electrical-resistivity, magnetization, and heat-capacity measurements. The low-temperature electronic specific heat suggests a fully gapped superconducting state in NbReSi, while a large upper critical field of $\mu_0H_\mathrm{c2}(0)$ $\sim$ 12.6 T is obtained, which is comparable to the weak-coupling Pauli limit. The electronic band-structure calculations show that the density of states at the Fermi level are dominated by Re and Nb $d$-orbitals, with a sizeable band splitting induced by the antisymmetric spin-orbit coupling. NbReSi represents another candidate material for revealing the puzzle of time-reversal symmetry breaking observed in some Re-based superconductors and its relation to the lack of inversion symmetry.

研究动机与目标

• 研究非中心对称NbReSi的超导性质，该化合物为ZrNiAl型，此前未见表征。
• 确定NbReSi是否表现出非常规超导性，包括完全能隙或节点态行为。
• 评估反称自旋-轨道耦合（ASOC）在诱导大上临界场及可能的时间反演对称性破缺中的作用。
• 阐明非中心对称性、ASOC与铼基材料中超导配对之间的相互作用。

提出的方法

• 通过电弧熔炼法合成多晶NbReSi样品，并利用粉末X射线衍射（XRD）表征，确认其为P¯62空间群的ZrNiAl型结构。
• 利用PPMS和MPMS系统进行电阻率、磁化率及比热测量，以探测超导转变与临界场行为。
• 从场依赖磁化率等温线中提取上临界场Hc2，Hc1则通过磁化率响应非线性开始的点确定。
• 采用基于密度泛函理论（DFT）和PBE泛函的VASP软件进行电子能带结构计算，分析费米面及自旋-轨道耦合效应。
• 应用金兹堡-朗道理论估算相干长度与上临界场，并与泡利极限比较结果。
• 参考μ子自旋松弛（µSR）研究，以对比先前关于相关铼基超导体的研究，阐明时间反演对称性破缺的重要性。

实验结果

研究问题

• RQ1 NbReSi是否表现出超导性，其转变温度Tc是多少？
• RQ2 电子比热数据是否表明NbReSi的超导态为完全能隙态，而非节点态？
• RQ3 上临界场Hc2的大小是多少，是否超过泡利极限？
• RQ4 反称自旋-轨道耦合（ASOC）在导致观测到的电子能带分裂及超导性质方面起多大作用？
• RQ5 NbReSi缺乏反演对称性是否如其他铼基超导体一样导致时间反演对称性破缺？

主要发现

• NbReSi在Tc = 6.5 K处表现出体超导转变，由零电阻和磁化率的急剧下降证实。
• Tc以下的电子比热数据与完全能隙超导态一致，未发现节点的证据。
• 上临界场µ0Hc2(0)达到12.6 T，接近弱耦合泡利极限，表明存在强烈的自旋-轨道耦合效应。
• 能带结构计算显示费米面主要由Re和Nb的d轨道主导，且由于反称自旋-轨道耦合而出现显著能带分裂。
• 晶体结构缺乏反演对称性，Nb和Re原子占据非中心对称位置，支持非常规配对的可能性。
• 在非中心对称体系中观测到较大的Hc2值，提示可能与自旋三重态配对或时间反演对称性破缺有关，尽管本研究未发现后者的直接证据。