[论文解读] Vanadium-Based Superconductivity in a Breathing Kagome Compound Ta2V3.1Si0.9

HongXiong Liu, JingYu Yao+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究报道了在呼吸型kagome化合物Ta2V3.1Si0.9中观测到超导性，转变温度Tc为7.5 K，显著高于以往在常压下研究的kagome金属。材料表现出中等强度的电子-声子耦合、接近泡利极限的高上临界磁场，以及由DFT计算揭示的费米能级附近的范霍夫奇异性，表明强电子关联和拓扑效应可能是增强Tc的根源。

ABSTRACT

Superconductivity in V-based kagome metals has recently raised great interest as they exhibit the competing ground states associated with the flat bands and topological electronic structures. Here we report the discovery of superconductivity in Ta2V3.1Si0.9 with a superconducting transition temperature Tc of 7.5 K, much higher than those in previously reported kagome metals at ambient pressure. While the V ions form a two-dimensional breathing kagome structure, the length difference between two different V-V bonds is just 0.04, making it very close to the perfect kagome structure. Our results show that Ta2V3.1Si0.9 is a moderate-coupled superconductor with a large upper critical field that is close to the Pauli limit. DFT calculations give a van-Hove-singularity band located at Fermi energy, which may explain the relatively high Tc observed in this material.

研究动机与目标

• 研究具有呼吸形变结构的钒基kagome金属的超导性质。
• 确定Ta2V3.1Si0.9中的超导转变温度Tc及其与电子结构的关系。
• 探讨电子关联和平坦能带在kagome体系中增强Tc的作用。
• 通过测量上临界磁场并对比理论模型，评估超导配对机制。
• 利用DFT计算将观测到的超导性与费米能级附近范霍夫奇异性的存在相关联。

提出的方法

• 通过电弧熔融和退火技术合成单晶Ta2V3.1Si0.9。
• 在不同磁场下测量电阻率、磁化率及上临界磁场（Hc2）。
• 采用密度泛函理论（DFT）计算，绘制电子能带结构并识别费米能级附近的范霍夫奇异性。
• 利用Hc2数据并对比泡利极限，分析超导能隙对称性和耦合强度。
• 通过X射线衍射进行结构表征，确认钒原子形成的二维呼吸型kagome晶格，键长差异极小（0.04 Å）。
• 通过Tc与McMillan公式的比较及观测到的Hc2值，评估电子-声子耦合强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ta2V3.1Si0.9中的超导转变温度Tc是多少？与其它常压kagome金属相比如何？
• RQ2 钒原子的呼吸型kagome结构在多大程度上影响了电子和超导性质？
• RQ3 Ta2V3.1Si0.9中的高Tc是否与DFT预测的费米能级附近的范霍夫奇异性相关？
• RQ4 Ta2V3.1Si0.9的上临界磁场Hc2与泡利极限相比如何？这对配对机制有何含义？
• RQ5 基于观测到的超导参数，该体系中的电子配对性质是常规还是非常规的？

主要发现

• Ta2V3.1Si0.9表现出超导性，其转变温度Tc为7.5 K，为迄今常压kagome金属中报道的最高值。
• 上临界磁场Hc2接近泡利极限，表明存在强自旋-轨道耦合或非常规配对。
• DFT计算显示，范霍夫奇异性恰好位于费米能级，可能增强电子关联效应并促进更高的Tc。
• kagome晶格中V-V键长差异仅为0.04 Å，表明近乎完美的kagome对称性且畸变极小。
• 该材料表现为中等耦合超导体，Hc2值与自旋单重态配对态一致，但接近泡利极限，暗示可能存在自旋三重态或自旋液体样特征。
• 观测到的超导性质强烈关联于kagome晶格中平坦能带、拓扑电子结构与电子关联效应之间的相互作用。