[论文解读] Superconductivity in a van der Waals layered quasicrystal

Yuki Tokumoto, Kotaro Hamano+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2023

Iron-based superconductors researchMaterials Science被引用 3

一句话总结

本研究首次报告在通过反应烧结法制备的范德华（vdW）层状准晶Ta1.6Te中观测到体超导性。电阻率、磁化率和比热测量证实其超导转变温度约为1 K，标志着热力学稳定准晶材料中超导性的重大突破，并为二维准晶物理研究开辟了新途径。

ABSTRACT

van der Waals (vdW) layered transition-metal chalcogenides are attracting significant attention owing to their fascinating physical properties. This group of materials consists of abundant members with various elements, having a variety of different structures. However, all vdW layered materials studied to date have been limited to crystalline materials, and the physical properties of vdW layered quasicrystals have not yet been reported. Here, we report on the discovery of superconductivity in a vdW layered quasicrystal of Ta1.6Te. The electrical resistivity, magnetic susceptibility, and specific heat of the Ta1.6Te quasicrystal fabricated by reaction sintering, unambiguously validated the occurrence of bulk superconductivity at a transition temperature of ~1 K. This discovery can pioneer new research on assessing the physical properties of vdW layered quasicrystals as well as two-dimensional quasicrystals; moreover, it paves the way toward new frontiers of superconductivity in thermodynamically stable quasicrystals, which has been the predominant challenge facing condensed matter physics since the discovery of quasicrystals almost four decades ago.

研究动机与目标

• 探索范德华（vdW）层状准晶的物理性质，这类材料因缺乏长程周期性结构而此前未被研究。
• 确定超导性是否能在热力学稳定的准晶中出现，这是自准晶发现以来凝聚态物理领域长期面临的挑战。
• 研究vdW层状准晶作为低维、非周期性体系中超导性研究新平台的潜力。
• 为未来二维准晶及其非传统电子性质的研究奠定基础。

提出的方法

• 通过反应烧结法合成Ta1.6Te准晶，以获得热力学稳定的层状准晶结构。
• 测量电阻率随温度的变化，以检测超导性的起始迹象。
• 获取磁化率数据，以确认迈斯纳效应并验证体超导行为。
• 测量比热，以识别在超导转变温度处的清晰λ型异常。
• 利用X射线衍射和电子背散射衍射确认所合成材料的准晶特性。
• 对比输运与热力学数据，明确确立体超导性。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管具有非周期性原子结构，范德华层状准晶中是否可能产生超导性？
• RQ2 具有vdW键合的热力学稳定准晶材料的超导转变温度是多少？
• RQ3 准晶中缺乏周期性是否意味着无法形成库珀对和超导序？
• RQ4 vdW层状准晶的电子与磁性性质与它们的晶态对应物相比如何？
• RQ5 准晶态能否支持如传统晶态超导体中所见的强健体超导性？

主要发现

• Ta1.6Te准晶在约1 K处表现出清晰的超导转变，表现为电阻率急剧下降。
• 磁化率测量显示在约1 K以下呈现抗磁响应，证实迈斯纳效应及体超导行为。
• 比热数据在约1 K处显示出λ型异常，与进入超导态的二级相变一致。
• 通过X射线衍射和电子背散射衍射确认了Ta1.6Te的准晶结构，确立其非周期但具有长程有序的特性。
• 该材料为范德华层状准晶，层间通过弱范德华力结合，具备潜在剥离为二维形式的可能。
• 这是首次在热力学稳定的准晶中实验实现体超导性，标志着凝聚态物理领域的重要里程碑。