高压下的TlNi2Se2-xSx的超导临界温度的反常行为研究外文翻译资料

高压下的TlNi₂Se_2-xS_x的超导临界温度的反常行为研究

原文作者 S. K. Goh,^{1, 2} H. C. Chang,² P. Reiss,² P. L. Alireza,

² Y. W. Cheung,¹ S. Y. Lau,¹ Hangdong Wang,^{3, 4} Qianhui Mao,³ Jinhu Yang,⁴ Minghu Fang,³ F. M. Grosche,² and M. L. Sutherland²

单位 1Department of Physics, The Chinese University of Hong Kong, Shatin, New Territories, Hong Kong, China 2Cavendish Laboratory, University of Cambridge,J. J. Thomson Avenue, Cambridge CB3 0HE, United Kingdom 3Department of Physics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China 4Department of Physics, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China

摘要：通过交流磁化率的测量，我们报道了TlNi₂Se_2-xS_x的超导临界温度和压力的关系。建立了TlNi₂Se₂,TlNi₂S₂和TlNi₂SeS的压力-温度相图。结果显示出两个意外的特点:a.所有化合物在一定的压力下超导态消失；b.TlNi₂SeS的超导临界温度-压强呈现出屋顶型关系。这些结果表明TlNi₂Se_2-xS_x中呈现的是新型超导性，S的替代作用在该体系中非常重要。

PACS 数字：74.25.-q； 62.50.-p； 71.20.-b

铁基超导的普适相图是在反铁磁性抑制区域附近的出现的超导电性。多轨道系统的特征、电子和空穴的费米面之间的相互嵌套为讨论自旋涨落和自旋密度波（SDW）型反铁磁调制的超导电性的讨论提供了一个框架。122种铁基材料提供了一个特别例子：施加压力或化学替代可调系统从远离反铁磁性转变到超导电性。

然而这种情况在122种镍基系统中迥然不同。在BaNi₂P₂ 、BaNi₂As₂、 SrNi₂P₂和SrNi₂As₂化学计量比的化合物中已经表现出超导电性，它们具有的相对较低的超导温度Tc，分别为3 K、0.7 K、1.4 K和0.6 K。铁基化合物中观察到的结构相变在镍材料中表现的是一级相变，甚至可能观察不到。更重要的是，即使通过其他方式来调节，例如在BaNi₂(As_1-xPx)₂ (0 ≦x≦0.13)的化学替代，BaNi₂As₂ (up to 27 kbar)的压力调整，在这些镍基超导材料中普遍没有磁有序。

通过研究电子-声子耦合和费米面得到的这些结果表明，镍基的超导电性很可能是传统型的，尽管该化合物还需要进一步的探索。理解这些材料的相图和费米面结构是全面理解铁基和镍基磷和硫族元素化物中的复杂物理性质的重要步骤,或许可以帮助我们理解为什么铁基化合物有如此高的Tc。

TlNi₂Se₂是这个家庭中还未被研究、相对较新的一个成员。低于3.7 K时，它处于超导态，其晶体结构属于四方ThCr₂Si₂型结构，正常态是一个有效质量大约是14-20 me的重电子泡利顺磁性金属。导热系数测量结果表明TlNi₂Se₂具有多个无节点的超导能隙。该材料可被Se、S等代替。Tc在TlNi₂Se_2-xS_x的同构系列随着S浓度的函数替代X呈现一种光滑的、非单调的变化。与在KNi₂S₂中正常状态下观察到的结构转变的不同的是，TlNi₂Se₂在300 K的正常态下，磁化率和电阻率的测量结果表明在整个替代系列中没有观察到任何其他的相变迹象。

由于S离子半径较小，在TlNi₂Se_2-xS_x中S取代被期望代替化学压力进入系统。同时，这一过程也会使得系统无序度增加，计算出剩余电阻率比(RRR=rho;_300K/rho;_4K)的显著减少，剩余电阻率为100时，x=0，小于10时，x=1和x=2。显然，对Tc有决定性影响的x不只反映化学压力的影响，而且反映了无序引起的拆对效应。另一方面，流体静压的应用将这两方面的影响区分开来，使我们能够直接观测内在压力对Tc的影响。

单晶TlNi₂Se₂, TlNi₂SeS 和TlNi₂S₂是使用自磁通的方法合成。跟踪超导转变的压力下，我们在碳硅石压砧中实现了两线圈技术，其中碳硅石压缠绕140转的调制线圈，垫片内孔放置10转拾取线圈与晶体。由于有利的体积填充因子的设置，通常为30%，信号从超导转变是明确的，使我们在压力下准确地跟踪的超导态的演化。氦-3容器提供低温环境。为了避免加热，我们使用一个小的1 mA的调制电流，使调制领域的约1 Oe，调制频率1.1千赫。使用甘油作为压力介质提供静水压力，压力通过红宝石荧光光谱显示。

图1（a）TlNi₂Se₂的正常态下电压的温度依赖性

图二：不同样品的Tc和压力关系相图

图1（a）显示TlNi₂Se₂的正常态下电压的温度依赖性。这个电压是成比例的交流磁化率的样品，在过渡到超导状态的明确标识是传感器电压下降。在一个大气压力下，起始超导转变温度Tc 3.5 K，这个结果与已经报道的电阻率和比热测量结果 3.7 K符合很好。随着外加压力P增大，Tc随着dTc/dp—59 mK/kbar的初始斜率降低。这种趋势一直持续到22 kbar左右,随后超导很快被抑制。(c.f. Fig. 2a)。

在TlNi₂Se_2-xS_x的同构取代系列中，Tc作为S含量的x连续变化。如图2(c)所示，x lt; 1时，Tc首次降低，并大约保持在x = 1和x = 1.6之间，xgt;1.6，Tc（x）显示出一个温和平缓的正斜率。通过用S更换Se，晶格参数a (c)单调下降：从x = 0到x = 2，晶格参数有2%（5%）的减少。如果我们认为S替代对系统只提供化学压力，那么我们在22 kbar观察到TlNi₂Se₂的超导状态的消失是料想不到的。

TlNi₂S₂和TlNi₂SeS压力依赖性进一步揭示了不同寻常的特点。图1(b) 和 1(c)显示这些材料相应的交流磁化率数据，让我们建立如图2所示的T—p相图。如果S替代的影响只是提供化学压力，物理压力对S替代的全系列化合物的应用，TlNi₂S₂，Tc（x）的趋势将趋近于x = 2时的值，即Tc会增强下压力。相反，Tc会随着初始斜率68 mK/kbar迅速降低下压力。另外，令人惊讶的是在TlNi₂Se中Tc（P）与P 的演变关系：Tc先随27mK/kbar的初始斜率，达到1.3K的最大值，然后急速下降。这个和在许多相关的电子系统中经常观察到一个圆顶形的Tc（P）类似。

多个圆顶Tc的存在已在几个铁基系统中发现，特别是FeSe_1-x的Tc(p)和LaFeAsO_1-xH_x的Tc(x)中。在这些系统中，首次报道多圆顶Tc时，人们还不清楚它们的超导机制。然而，随后的敏感显微测量检测到的反铁磁性与超导相的存在，使我们可以统一处理超导电性的自旋涨落模型框架。我们发现TlNi₂Se_2-xS_x的多圆顶Tc(p)和FeSe_1-x、LaFeAsO_1-xH_x的相图有惊人的相似处。从我们的电子结构计算图嵌套的费米面来看，我们迫切需要研究在压力和大范围S浓度系统下的磁性。

通过在TlNi₂Se₂系统中调整压力和化学替代而产生的清晰明确的不同相图，可以有许多可能解释。例如，这可能是超导状态的敏感性不对称引起的无序诱导对破。TlNi₂Se₂最有可能的配对方案是一个由最近的热导率测量支持的多能隙无节点的S波态。在这种态下Tc有望迅速抑制障碍，打破了安德森的理论中符号相反的逆费米面之间的散射引起的无序。该无序可以通过S和Se等电子取代的方式感受到。另一种可能性是在高压情况下，存在一个未知的结构和磁性相变的发生。我们的研究结果激励这个家庭中的成员在高压力的结构性能和磁性能方面的进一步的工作。

外文文献出处：arXiv:1410.2506v1 [cond-mat.supr-con] 9 Oct 2014

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