[论文解读] Nodeless superconductivity in the SnAs-based van der Waals type superconductor NaSn2As2

Erjian Cheng, Jingen Ni+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2018

Iron-based superconductors research被引用 5

一句话总结

本研究报道了高质量 NaSn2As2 单晶的生长，其超导转变温度为 1.60 K，比此前报道的数值高出 0.3 K。超低温度热导率测量证实该超导态具有完全禁带且无节点，零场下残余线性项可忽略不计，强烈表明为 s 波配对对称性。电阻率和比热中在 193 K 处出现的微弱异常，提示可能存在电荷密度波不稳定态，可能与体系中的孤对电子有关。

ABSTRACT

We grew the single crystals of the SnAs-based van der Waals (vdW)-type superconductor NaSn$_2$As$_2$ and systematically measured its resistivity, specific heat, and ultralow-temperature thermal conductivity. The superconducting transition temperature $T_c$ = 1.60 K of our single crystal is 0.3 K higher than that previously reported. A weak but intrinsic anomaly situated at 193 K is observed in both resistivity and specific heat, which likely arises from a charge-density-wave (CDW) instability. Ultralow-temperature thermal conductivity measurements reveal a fully-gapped superconducting state with a negligible residual linear term in zero magnetic field, and the field dependence of $κ_0 / T$ further suggests NaSn$_2$As$_2$ is an $s$-wave superconductor.

研究动机与目标

• 为实现精确的物性测量，生长高质量的范德华型超导体 NaSn2As2 单晶。
• 研究 NaSn2As2 中的超导配对对称性，特别是其是否表现出无节点或有节点的行为。
• 探讨在输运和热力学性质中此前未报道的约 193 K 异常的起源。
• 确定 Sn2+ 离子中的孤对电子是否影响超导配对对称性，或诱导竞争性电子序，如电荷密度波。

提出的方法

• 采用 Sn 作为助熔剂，通过化学计量比 Na:Sn:As = 1:10:2 的方法合成 NaSn2As2 单晶，于 750 °C 退火 72 小时，随后以 1.5 K/h 的速率缓慢冷却。
• 利用 PPMS 和 3He 制冷系统测量电阻率、比热和超低温度热导率，热导率测量采用标准四线稳态法，并使用原位校准的 RuO2 温度计。
• 通过分析 κ₀/T 和 κ₀(H)/T 的磁场依赖性，与已知的 s 波和有节点的超导体进行比较，推断配对对称性。
• 外加磁场方向垂直于 ab 平面，以确保磁场分布均匀，并通过电阻率和热导率数据确定 Hc2。
• 利用 Wiedemann-Franz 定律估算正常态热导率，其中 L₀ = 2.45 × 10⁻⁸ WΩK⁻²，ρ₀(0.12 T) = 60.3 μΩcm。
• 利用低温样品杆的透射电子显微镜进行显微结构分析，以评估晶体质量和缺陷。

实验结果

研究问题

• RQ1 根据超低温度下的热导率测量，NaSn2As2 中的超导能隙是否为无节点？
• RQ2 此前未报道的约 193 K 异常在电阻率和比热中出现的起源是什么？
• RQ3 NaSn2As2 中 Sn2+ 离子存在的孤对电子是否影响超导配对对称性，或诱导竞争性电子序？
• RQ4 基于 κ₀(H)/T 的磁场依赖性，NaSn2As2 是清洁还是散射极限下的 s 波超导体？
• RQ5 超导性与 193 K 异常之间的相互作用如何与材料的电子结构和电子关联效应相关？

主要发现

• NaSn2As2 的超导转变温度 Tc 为 1.60 K，比此前报道的 1.3 K 高出 0.3 K。
• 超低温度热导率测量显示，在零磁场下 κ₀/T 的残余线性项可忽略不计，表明为完全禁带且无节点的超导态。
• κ₀(H)/T 的磁场依赖性与杂质极限下的 s 波超导体 InBi 非常相似，提示可能存在杂质极限行为，但由于缺乏费米速度数据，无法确定电子平均自由程。
• 通过电阻率和热导率测得的上临界场 Hc2 为 0.14 T（磁场垂直于 ab 平面），表明两种测量结果一致。
• 在电阻率和比热中均观察到 193 K 处的微弱异常，可能源于电荷密度波不稳定态，可能与 Sn2+ 离子中的孤对电子有关。
• 热导率数据排除了有节点的超导态，因为未观察到显著的残余 κ₀/T，且磁场依赖性与 d 波或 p 波配对不一致，强烈支持 s 波对称性。