[论文解读] Pressure-induced superconductivity in the three-dimensional Dirac semimetal Cd3As2

Lin He, Yuanlin Jia+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 38被引用 13

一句话总结

本研究报道了在3D狄拉克半金属Cd3As2中实现压力诱导的超导性，临界温度（Tc）从8.5 GPa下的约2.0 K上升至21.3 GPa下的约4.0 K，随后在50.9 GPa以内几乎保持恒定。高压XRD揭示在约3.5 GPa处发生结构相变，且由于其非传统的Hc2行为及马约拉纳费米子的理论支持，该超导态被认为是拓扑超导性的候选者。

ABSTRACT

The recently discovered Dirac and Weyl semimetals are new members of topological materials. Starting from them, topological superconductivity may be achieved, e.g. by carrier doping or applying pressure. Here we report high-pressure resistance and X-ray diffraction study of the three-dimensional topological Dirac semimetal Cd3As2. Superconductivity with Tc ~ 2.0 K is observed at 8.5 GPa. The Tc keeps increasing to about 4.0 K at 21.3 GPa, then shows a nearly constant pressure dependence up to the highest pressure 50.9 GPa. The X-ray diffraction measurements reveal a structure phase transition around 3.5 GPa. Our observation of superconductivity in pressurized topological Dirac semimetal Cd3As2 provides a new candidate for topological superconductor, as argued in a recent point contact study and a theoretical work.

研究动机与目标

• 研究3D狄拉克半金属Cd3As2在高压下的电子与结构特性。
• 确定压力是否能在具有拓扑狄拉克费米子的Cd3As2中诱导超导性。
• 考察在压力下结构相变与超导行为之间的关系。
• 评估高压下Cd3As2作为拓扑超导候选材料的潜力。
• 将Tc与Hc2随压力的演化行为与已知的拓扑超导体候选材料（如Bi2Se3）进行比较。

提出的方法

• 在高达50.9 GPa的压力下，利用六方氮化硼（h-BN）作为压力传递介质的对顶砧装置（DAC），对Cd3As2单晶进行了电阻率测量。
• 利用HPCAT光束线的同步辐射高压X射线衍射（XRD）探测结构相变。
• 在13.5 GPa下进行磁场依赖的电阻率测量，通过磁场抑制电阻来确认超导转变。
• 从磁场扫描数据中提取上临界场Hc2，并采用WHH公式拟合以评估配对机制。
• 在每次测量循环前后，使用室温下的红宝石荧光法进行压力标定。
• 通过标准XRD图谱对晶体结构进行索引，相变通过峰位和强度的突变进行识别。

实验结果

研究问题

• RQ1 静水压力是否能在3D狄拉克半金属Cd3As2中诱导超导性？
• RQ2 Cd3As2的临界温度Tc随压力增加如何演变？
• RQ3 在高压下Cd3As2是否存在结构相变？其发生压力在何处？
• RQ4 所观测到的超导性是否表现出非传统特征，例如线性Hc2(T)依赖关系？
• RQ5 基于其电子与结构演化，压力诱导的Cd3As2超导态是否可归类为拓扑超导？

主要发现

• 在8.5 GPa时，Cd3As2中出现超导性，临界温度Tc ≈ 2.0 K。
• Tc在21.3 GPa时增至约4.0 K，随后在最高测量压力50.9 GPa内几乎保持不变。
• 通过高压XRD在约3.5 GPa处观察到结构相变，表现为出现与低压四方相不同的新衍射峰。
• 上临界场Hc2表现出线性温度依赖关系，Hc2(0) ≈ 4.29 T，超过轨道极限场但低于泡利极限，表明无强自旋-轨道对称性破缺。
• 异常的Tc-压力依赖关系与线性Hc2(T)行为与已知拓扑超导体候选材料（如Bi2Se3）中的行为相似，提示可能存在非传统超导性。
• 理论与点接触研究支持在加压Cd3As2中，超导态可能容纳马约拉纳费米子，使其成为拓扑超导性的有力候选材料。