[论文解读] Superconductivity in the doped topological insulator Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$ under high pressure

T. V. Bay, Takashi Naka+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2011

Topological Materials and Phenomena被引用 24

一句话总结

本研究通过电阻率和上临界磁场（$B_{c2}$）测量，探究了在高压条件下铜掺杂拓扑绝缘体Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$中的超导性。结果发现，$B_{c2}(T)$在弱耦合自旋单重态极限以上呈现出普适曲线，无保罗磁化限制，且与极化态模型高度一致，强烈表明该体系中存在自旋三重态$p$-波超导性。

ABSTRACT

We report a high-pressure single crystal study of the topological superconductor Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$. Resistivity measurements under pressure show superconductivity is depressed smoothly. At the same time the metallic behavior is gradually lost. The upper critical field data $B_{c2}(T)$ under pressure collapse onto a universal curve. The absence of Pauli limiting and the comparison of $B_{c2}(T)$ to a polar state function point to spin-triplet superconductivity, but an anisotropic spin-singlet state cannot be discarded completely.

研究动机与目标

• 探究铜掺杂拓扑绝缘体Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$中超导性的压力依赖性。
• 通过高压$B_{c2}(T)$测量确定超导配对对称性的本质。
• 评估超导态是自旋单重态还是自旋三重态，特别是在拓扑超导性的背景下。
• 评估保罗顺磁性限制和各向异性在超导响应中的作用。
• 检验$B_{c2}(T)$数据是否能拟合为普适曲线，以表明存在稳健的配对机制。

提出的方法

• 通过熔融生长和850 °C退火后快速淬火的方法制备了Cu$_{0.3}$Bi$_{2.1}$Se$_3$单晶。
• 在最高2.31 GPa的静水压下进行电阻率测量，以探测超导转变温度（$T_c$）和金属性行为。
• 在不同压力下测量上临界磁场$B_{c2}(T)$，并将其归一化为无量纲温度$t = T/T_c(p)$，以检验普适标度行为。
• 将数据与自旋单重态超导体的Werthamer-Helfand-Hohenberg（WHH）模型以及自旋三重态$p$-波配对的极化态模型进行比较。
• 通过将$B_{c2}$值与普适自旋单重态极限比较，并分析高场下无抑制现象，评估保罗磁化限制的存在性。
• 通过评估晶体结构对不同磁场取向$B_{c2}$的影响，考虑各向异性效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 静水压如何影响Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$中超导转变温度和金属性行为？
• RQ2 $B_{c2}(T)$在压力下是否表现出普适标度行为？这对其配对对称性有何含义？
• RQ3 Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$中是否存在保罗顺磁性限制？其缺失对库珀对自旋态有何启示？
• RQ4 $B_{c2}(T)$数据与自旋三重态$p$-波超导性的极化态模型符合程度如何？
• RQ5 观察到的$B_{c2}(T)$行为能否由层状晶体结构的各向异性效应解释？

主要发现

• Cu$_{0.3}$Bi$_{2.1}$Se$_3$中的超导性在压力下平滑抑制，$T_c$外推显示在临界压力$p_c = 6.3$ GPa时消失。
• $B_{c2}(T)$数据在压力下可统一归一化为一条普适曲线，与标准弱耦合自旋单重态WHH模型显著偏离。
• 保罗磁化限制的缺失得到证实，因为$B_{c2}$值超过普适自旋单重态极限，表明自旋三重态配对占优。
• $B_{c2}(T)$的温度依赖性与$p$-波超导性的极化态模型高度一致，支持自旋三重态配对。
• 各向异性效应无法解释观测到的$B_{c2}(T)$行为，因为未观察到层状体系典型的上翘曲率。
• 数据与WHH模型的简单标度不一致，进一步支持一种超越传统自旋单重态$s$-波的非常规配对态。