[论文解读] Superconductivity in quasi-one-dimensional K$_2$Cr$_3$As$_3$

Jin‐Ke Bao, Jiyong Liu+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2014

Iron-based superconductors research被引用 1

一句话总结

本研究报道了在准一维 K₂Cr₃As₃ 中实现 6.1 K 的体超导，该铬砷化物具有面共享 Cr₆/₂(As₆/₂) 八面体构成的双壁亚纳米管结构。该材料表现出强电子关联（γ = 70–75 mJ K⁻² mol⁻¹）、非费米液体电阻率，以及超过泡利极限 3–4 倍的上临界磁场，表明在准一维关联体系中存在非传统超导性。

ABSTRACT

We report the discovery of bulk superconductivity (SC) at 6.1 K in a quasi-one-dimensional (Q1D) chromium pnictide K$_2$Cr$_3$As$_3$ which contains [(Cr$_3$As$_3$)$^{2-}$]$_{\infty}$ double-walled subnano-tubes with face-sharing Cr$_{6/2}$ (As$_{6/2}$) octahedron linear chains in the inner (outer) wall. The material has a large electronic specific-heat coefficient of 70$\sim$75 mJ K$^{-2}$ mol$^{-1}$, indicating significantly strong electron correlations. Signature of non-Fermi liquid behavior is shown by the linear temperature dependence of resistivity in a broad temperature range from 7 to 300 K. Unconventional SC is preliminarily manifested by the estimated upper critical field exceeding the Pauli limit by a factor of three to four. The title compound represents a rare example that possibly unconventional SC emerges in a Q1D system with strong electron correlations.

研究动机与目标

• 研究准一维铬砷化物 K₂Cr₃As₃ 中的超导性质。
• 确定强电子关联与低维体系中超导性的本质。
• 评估非传统超导性是否在准一维关联电子体系中出现。
• 通过比热和电阻率测量表征电子关联和正常态行为。

提出的方法

• 通过固相反应和退火法合成高质量的 K₂Cr₃As₃ 单晶。
• 从 7 至 300 K 测量电阻率，以探究正常态电子行为。
• 通过低温比热测量确定电子比热系数（γ）。
• 分析上临界磁场（Hc2）以评估超导配对对称性。
• 将 Hc2 与泡利顺磁极限比较，推断非传统配对机制。
• 通过结构表征确认 [(Cr₃As₃)²⁻]∞ 双壁亚纳米管的存在，其由面共享的八面体链构成。

实验结果

研究问题

• RQ1 在准一维 K₂Cr₃As₃ 体系中是否存在体超导？
• RQ2 电子比热系数所指示的 K₂Cr₃As₃ 中电子关联的强度如何？
• RQ3 正常态是否表现出非费米液体行为，如电阻率呈线性温度依赖？
• RQ4 上临界磁场超过泡利极限是否表明超导态为非传统配对？
• RQ5 非传统超导性是否可在准一维关联电子体系中稳定存在？

主要发现

• 在 K₂Cr₃As₃ 中观察到 Tc = 6.1 K 的体超导，由零电阻和迈斯纳效应证实。
• 测得电子比热系数 γ 为 70–75 mJ K⁻² mol⁻¹，表明存在强电子关联。
• 电阻率在 7 至 300 K 温度范围内呈线性温度依赖，表明正常态具有非费米液体行为。
• 上临界磁场 Hc2 超过泡利顺磁极限三至四倍，提示存在非传统超导配对。
• 该体系具有准一维结构，由面共享的 Cr₆/₂(As₆/₂) 八面体构成双壁亚纳米管。
• K₂Cr₃As₃ 是准一维关联体系中非传统超导性的罕见实例。