[论文解读] Superconductivity in new family of Rhenium-based binary alloys: Re$_{7}$X$_{3}$ (X = Nb, Ta, Ti, Zr, Hf)

R. K. Kushwaha, P. K. Meena+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2024

Rare-earth and actinide compounds被引用 4

一句话总结

本研究报道了一类新型铼基二元超导体 Re₇X₃（X = Nb, Ta, Ti, Zr, Hf）的合成及其综合表征，这些材料在中心对称（CS）和非中心对称（NCS）晶体结构中均表现出超导性。关键发现是，特别是 Re₇Nb₃ 和 Re₇Ta₃ 等非中心对称 Re₇X₃ 化合物，其上临界场接近泡利极限，表明存在强自旋-轨道耦合及非常规超导性；而中心对称化合物的 H_C2 显著较低，凸显了晶体对称性与反称自旋-轨道耦合在决定超导性质中的关键作用。

ABSTRACT

Rhenium-based superconductors have recently attracted significant interest due to their unconventional superconducting properties. In this work, we report the synthesis and properties of new superconducting Re$_{7}$X$_{3}$ (X = Nb, Ta, Ti, Zr, Hf) binary alloys which maintain a fixed composition of rhenium while crystallizing in centrosymmetric to non-centrosymmetric crystal structures, depending on the elements of the X site. Comprehensive structural and superconducting properties were investigated using powder x-ray diffraction, AC transport, magnetization, and specific heat measurements, and on the basis of these measurements, the superconducting phase diagram was constructed. The results suggest a complex interplay of crystal structure and the Re/X ratio, which governs the strength of spin-orbital coupling and controls the unconventional superconducting behavior in Re-based superconductors.

研究动机与目标

• 研究一系列具有不同 X 位元素（Nb、Ta、Ti、Zr、Hf）的 Re₇X₃ 二元合金在中心对称与非中心对称晶体结构下的超导性质。
• 确定晶体结构、Re/X 原子比以及反称自旋-轨道耦合（ASOC）对超导转变温度（T_C）、上临界场（H_C2）及能隙对称性的影响。
• 阐明非中心对称性与自旋-轨道耦合在实现时间反演对称性破缺及铼基材料中非常规超导性中的作用。
• 构建一个超导相图，关联元素组成、晶体结构与铼基体系的超导参数。

提出的方法

• 通过在氩气气氛下对高纯金属进行电弧熔炼，制备多晶 Re₇X₃ 样品，以确保化学计量配比的均匀性。
• 采用粉末 X 射线衍射（XRD）并结合 Fullprof 精修，确定晶体结构、相纯度及晶格参数。
• 通过交流磁化率、直流磁化率及比热测量，确定 T_C、H_C2 及超导能隙对称性。
• 能量色散 X 射线能谱（EDAX）用于确认多晶样品的元素组成与均匀性。
• 通过关联 Re₇X₃ 系列中 X 位元素与晶体结构对 T_C 和 H_C2 的影响，构建超导相图。
• 与已知的铼基超导体（如 Re₆Zr、Re₇B₃、Re₃Ta）进行对比分析，以分离晶体对称性与 Re 含量的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 晶体结构（中心对称与非中心对称）如何影响 Re₇X₃ 合金的超导转变温度（T_C）与上临界场（H_C2）？
• RQ2 X 位元素的选择（3d、4d、5d 过渡金属）在多大程度上调节反称自旋-轨道耦合（ASOC），从而影响 Re₇X₃ 化合物中的非常规超导行为？
• RQ3 为何一些铼基超导体表现出时间反演对称性破缺（TRSB），而另一些则没有，尽管其 Re 浓度与晶体结构相似？
• RQ4 与其它铼基体系（如 Re₁₋ₓTₓ）相比，Re₇X₃ 中的 Re 含量在 T_C 与 H_C2 方面表现如何？这揭示了 Re 含量在其中的何种作用？
• RQ5 Re₇X₃ 化合物中超导能隙的性质是什么？是否支持弱电子-声子耦合的无节点 s 波配对？

主要发现

• 所有 Re₇X₃ 化合物均表现出超导性，T_C 范围从 1.5 K（Re₇Ti₃）到 8.5 K（Re₇Nb₃），其中 Re₇Nb₃ 的 T_C 最高。
• 非中心对称 Re₇X₃ 化合物（Re₇Nb₃ 与 Re₇Ta₃）的上临界场（H_C2）接近泡利极限，表明存在强自旋-轨道耦合，并可能具有自旋三重态配对分量。
• 相比之下，中心对称 Re₇X₃ 化合物（Re₇Zr₃ 与 Re₇Hf₃）的 H_C2 显著较低，远低于泡利极限，凸显了非中心对称性在提升 H_C2 中的关键作用。
• 比热测量结果证实所有 Re₇X₃ 化合物均具有无节点的 s 波超导能隙，且电子-声子耦合较弱。
• 在非中心对称与中心对称的铼基超导体中均观察到时间反演对称性破缺，表明仅靠晶体对称性不足以解释 TRSB，暗示局部微结构与 Re 浓度是关键因素。
• 与 Re₇B₃ 及其他铼基超导体的对比研究揭示，X 位元素与 Re 浓度在调控 ASOC 强度与超导各向异性方面起着决定性作用。