[论文解读] Pressure induced metallization and possible unconventional superconductivity in spin liquid $NaYbSe_{2}$

Zheng Zhang, Yunyu Yin+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2020

Advanced Condensed Matter Physics被引用 9

一句话总结

本研究报道了在三角晶格自旋液体 NaYbSe₂ 中，压力诱导的金属化及可能的非传统超导性，该材料表现出量子自旋液体基态。在约 20 GPa 时，材料转变为超导相，Tc ≈ 5.8 K，且电荷能隙尚未完全关闭，表明自旋液体与超导序之间存在直接关联，且不涉及对称性破缺。

ABSTRACT

Beyond the conventional electron pairing mediated by phonons, high-temperature superconductivity in cuprates is believed to stem from quantum spin liquid (QSL). The unconventional superconductivity by doping a spin liquid/Mott insulator, is a long-sought goal but a principal challenge in condensed matter physics because of the lack of an ideal QSL platform. Here we report the pressure induced metallization and possible unconventional superconductivity in $NaYbSe_{2}$, which belongs to a large and ideal family of triangular lattice spin liquid we revealed recently and is evidenced to possess a QSL ground state. The charge gap of NaYbSe2 is gradually reduced by applying pressures, and at ~20 GPa the crystal jumps into a superconducting (SC) phase with Tc ~ 5.8 K even before the insulating gap is completely closed. The metallization is confirmed by further high-pressure experiments but the sign of superconductivity is not well repeated. No symmetry breaking accompanies the SC transition, as indicated by X-ray diffraction and low-temperature Raman experiments under high pressures. This intrinsically connects QSL and SC phases, and suggests an unconventional superconductivity developed from QSL. We further observed the magnetic-field-tuned superconductor-insulator transition which is analogous to that found in the underdoped cuprate superconductor $La_{2-x}Sr_{x}CuO_{4}$. The study is expected to inspire interest in exploring new types of superconductors and sheds light into the intriguing physics from a spin liquid/Mott insulator to a superconductor.

研究动机与目标

• 探索在高压条件下，量子自旋液体宿主材料中超导性的出现。
• 确定具有自旋液体基态的莫特绝缘体是否可通过压力调制演变为超导体。
• 研究超导相的性质，特别是其是否为非传统超导，且非由声子媒介配对驱动。
• 检查超导转变过程中无对称性破缺的现象，表明其配对机制非传统。
• 通过观察磁场调制的超导-绝缘体转变，与欠掺杂铜氧化物进行类比。

提出的方法

• 通过高压电阻率测量追踪电荷能隙的演化，并识别金属化与超导转变。
• 利用高压 X 射线衍射检测伴随超导相出现的结构或对称性破缺转变。
• 采用低温拉曼光谱探测电子与振动模式，寻找对称性破缺或配对涨落的迹象。
• 测量超导转变的磁场依赖性，以观察磁场调制的超导-绝缘体转变。
• 选择 NaYbSe₂ 作为模型体系，因其已确认具有量子自旋液体基态及理想的三角晶格几何结构。
• 采用立方砧压机施加压力，实现高达 ~30 GPa 的原位电学与结构测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 像 NaYbSe₂ 这类量子自旋液体宿主材料是否可经历压力诱导的金属化与超导性？
• RQ2 NaYbSe₂ 中的超导相是否为非传统超导，如无对称性破缺所指示？
• RQ3 NaYbSe₂ 中的超导转变是否类似于欠掺杂铜氧化物中观察到的磁场调制的超导-绝缘体转变？
• RQ4 电荷能隙在多大压力下关闭？超导性相对于完全金属化如何出现？
• RQ5 在缺乏传统声子媒介配对的条件下，超导相的配对机制本质为何？

主要发现

• NaYbSe₂ 中的电荷能隙在压力下逐渐减小，材料在约 20 GPa 时发生金属化。
• 在约 20 GPa 处观察到 Tc ≈ 5.8 K 的超导转变，且发生在绝缘能隙完全关闭之前。
• X 射线衍射与低温拉曼测量均未发现对称性破缺的证据，支持其为非传统超导态。
• 观察到磁场调制的超导-绝缘体转变，与欠掺杂 La₂₋ₓSrₓCuO₄ 中的现象类似。
• 超导相直接从自旋液体宿主中出现，表明在关联电子系统中可能存在非传统超导性的潜在路径。
• 在重复实验中，超导转变并非始终可重复，表明其可能对样品质量或无序敏感。