本科毕业设计（论文）

外文翻译

铁插层的NbSe2单晶在压力作用下的超导特性增强

作者：Manikandan Krishnan¹, Rukshana Pervin ², Kalai Selvan Ganesan^1,3, Kannan Murugesan¹, Govindaraj Lingannan ¹, Akshay Kumar Verma², Parasharam M. Shirage² amp; Arumugam Sonachalam¹

国籍：英国

出处:《SCIENTIFIC REPORTS》

中文译文：

摘要：在集体理论的框架内，我们研究了高达1GPa的静水压力（P）对FexNbSe2单晶的Tc、Jc和钉扎机制的性质的影响。发现压力可以诱发从由临界转变温度（delta;Tc）的空间变化控制的钉扎制度过渡到由平均自由路径（delta;ℓ）的空间变化控制的制度。此外，尽管Jc在高场时比在环境P中下降得更快，在Tc和低场中Jc也能被轻微地诱导。压力效应增强了各向异性，减少了相干长度，导致涡旋核心与钉住中心的弱相互作用。除此之外，P可以诱导状态密度，这反过来又导致Tc随着P的增加而增强。对于FexNbSe2，P增强Tc的速率dTc/DP分别为0.86、1.35和1.47 K/GPa。使用磁化数据建立一个涡旋相图。我们从Jc-H等温线中提取的钉扎力密度的缩放行为确定了旋涡的性质，并证明了点钉扎机制。

正文：超导体的技术适用性由几个参数决定，如高临界电流密度（Jc）、上临界场（Hc2）、不可逆转场（Hirr）、强磁通钉扎、高超导转变温度（Tc）、小各向异性以及在高温下维持高临界电流密度的能力^1-8。尽管氧化铜基超导体具有较高的转变温度（Tc）（上限临界磁场超过150特斯拉），但实际上整个超导磁体行业的中心是液氦冷却的铌基超导体。这是因为场内临界电流密度，即在给定场内开始扩散之前的最大电流密度，在高Tc材料中被严格抑制。特别令人不安的是，在所有有限温度下，在极小的电流密度下存在着电阻行为⁹。这种情况的发生是由于热激活的涡旋束跳过钉住点，即使由于传输电流的洛伦兹力与缺陷点的钉住力相比要小得多。在这方面，两个带状层的六方复合二碳化物NbSe2，它的超导转变温度（Tc）~为7.2K^[1]电荷密度波（CDW）转变的TCDW约为30K^[2]，沿和垂直于六方c轴的H的上临界场分别为Hc2c = 40 kOe和Hc2ab = 140 kOe¹。电荷密度波序，即接近费米水平的电子密度的静态调制，与超导性之间的相互作用已经引起了广泛关注^3,5,10-12。这是简单的过渡金属二氯化物中长期争论的中心问题，即CDW和超导性的共存。CDW通过强烈的电子-声子耦合与周期性晶格畸变相耦合。当温度降低到TCDW¹³时，这种转变与纵向声学声子模式的软化有关。人们已经注意到，高阶声子波动和强电子-声子相互作用解释了该系统中CDW形成的一些关键特征^14,15。

为了更详细地了解涡旋钉住机制，已经进行了一些研究，这可能会创造在改善Jc方面的真正进展。在超导体中，涡旋和销钉中心之间的主要基本相互作用是磁相互作用和核心相互作用。磁性相互作用产生于平行于外加磁场的超导和非超导⁶材料之间的表面相互作用，在具有非常高的金兹堡-朗道参数的II型超导体中，这种作用通常非常小¹⁶。有两种主要的磁芯钉扎机制，与Tc的空间波动相关的delta;Tc，以及，晶格缺陷附近的电荷载体平均自由路径（l）是delta;l钉扎的主要原因^7,17。强烈的针刺中心产生于缺陷和掺杂原子，这导致了平均自由路径的局部变化而产生针刺¹⁸。在122个磷家族的超导相中，观察到了由于结构域而产生的强的内在引力，同时场和温度相关的Jc也被归因于掺杂剂的不均匀分布¹⁹

图1 温度相关的零场冷却(ZFC)和场冷却(FC)磁化测量(a) NbSe2 (b)Fe0.0008NbSe2 (c)Fe0.0011NbSe2 恒定磁场为20oe

巨大的压力可以诱发Tc的富集，如果是在静水压力下会有更多的益处，这对通量钉住至关重要。压力会持续降低晶格常数，并导致单元格的收缩、各向异性的扩大和减少。它可以幸运地诱发点缺陷，然后已知点缺陷的形成能量随着应用压力的增加而减少^20-22。多晶体样品很容易影响到低角度晶界的施加压力，从而牺牲了表面钉扎。因此，较高的点销与表面销中心的比例预计会增加压力下的形成能量和晶界的迁移。我们发现在所有成分中，随着压力的增加，Tc、超导体积分数、Hc2、Hirr和Jc都有明显增强。这项研究促使我们分析通量钉扎和Jc的增强，以便与高Tc、磷族化合物和其他超导样品进行比较。

Fe-NbSe2属于过渡金属二氯化物化合物家族，表现出超导转变。NbSe2的另一个重要特征是存在各种与涡流物质有关的现象，如明显的峰值效应和各种相变和不稳定性^23-25。在这项工作中，我们首次研究了压力对FexNbSe2中Tc、Jc和通量钉住机制的影响。静水压力可以诱发从由临界转变温度（delta;T_c）的空间变化控制的钉牢制度过渡到由平均自由路径（delta;ℓ）的空间变化控制的制度。此外，Tc和低场Jc略有增强，同样，Jc在高场时比压力时下降得更厉害。目前的工作表明，压力增加了各向异性，减少了相干长度，从而导致涡旋核心与钉子中心的弱相互作用。为了理解该系统中涡旋钉扎的机制，本工作对归一化钉扎力密度（Fp/Fpmax）作为还原场（H/Hirr）的函数进行了比例分析。

结果和讨论

图1(a-c)显示了FexNbSe2(x=0, 0.0008 amp; 0.0011)在0-1GPa范围内不同压力下的零场冷却（ZFC）和场冷却（FC）的温度相关磁化曲线。压力对FC模式的影响微乎其微，这说明强磁通钉住了。并且屏蔽部分在压力下得到了增强。FexNbSe2（x = 0, 0.0008 amp; 0.0011）的环境超导临界温度（Tc）分别约为6.41, 5.60和5.35 K，在最大压力约为1 GPa时，应用连续静水压力增加的Tc分别约为7.25, 6.99和6.85 K。压力提高Tc的正压系数（dTc/dP）的速率为0.86、1.35和1.47 K/GPa，结果与早期文献^26-28相似。图1(d)显示了纯NbSe2和铁插层NbSe2单晶的压力演变相图。临界温度由于化学压力而降低^3,5,7，由于施加外部静水压力而升高。层间距离和Tc之间关系的性质对于理解层状化合物的超导性具有根本的重要性。首先，压力对物理特性的主要影响被认为是由于层间距离的减少而产生的。NbSe2中的费米水平接近狭窄的高度杂化子带的状态密度N(εF)的最大值，位于Se的p态形成的完全全带和部分全带之间。Nb^29,30的D态。如果在插层过程中电荷转移使费米级向状态密度曲线的斜面区域移动，那么这可能导致压力下N(εF)的相对较大变化，从而导致Tc的变化。图1(d)中显示的压力下超导转变的宽度增加和更明显的阶梯状表现支持了最后一个想法。这种在高压下过渡到超导状态的温度变化，也被观察到在铜酸盐³¹和铁基超导体³²中，这些超导体也具有层状结构和小的各向异性参数。

图2显示了FexNbSe2 (x = 0, 0.0008 amp; 0.0011)在最大压力~1 GPa的ZFC模式下施加不同磁场所测得的直流电磁化。图2显示了纯NbSe2和Fe掺杂的NbSe2在Tc以下的起始双磁信号的快速下降。图2中的顺磁信号在环境压力下被抑制，但在最大压力~1GPa时，磁场并没有抑制信号，这证实了由于压力的应用，引信中心被增加了这一点，这将在后面简要讨论。图3显示了纯NbSe2和Fe掺杂的NbSe2的上临界场（Hc2）的温度相关性。此外，在弱耦合的情况下，保利限制的上临界场由HP(0)=1.84Tc给出，表明不仅是轨道效应，而且保利自旋顺磁效应（PSP）在整个压力区域内都对配对断裂机制有影响。在绝对零度温度下临界场的温度依赖性Hc2(0)可以通过使用广义的Ginzburg-Landau模型来确定，Hc2(t)=Hc2(0)(1-ta)b，其中t=T/Tc是一个降低的温度，a=1.39，b=1，与Nb带中打开的大间隙有关³³，它给出的值比WHH方法略低。根据传统的单带Werthamer-Helfand-Hohenberg（WHH）理论，II型的轨道有限上临界场（H_corb2）。超导体的H_corb2 (0)可以被描述为：H_c^orb2 (0) = - 0.693Tc(dH_c2/dT )Tc为脏极限。图3中~1GPa处的纯NbSe2和Fe掺杂的NbSe2的H_c2被代表性地绘制成虚线。0K和环境压力下的H_c2为6.23T（NbSe2），2.72T（Fe0.0008NbSe2）和1.05T（Fe0.0011NbSe2）⁷。从图3中，使用FexNbSe2（x = 0, 0.0008 amp; 0.0011）的WHH方程计算的H_corb2（0）值显示在表1中的环境和高压下。H_c2(0)值显示，铁杂质在磁场的存在下，通过增强对断现象破坏了超导特性。在压力高于环境压力时，所有样品的轨道和上临界场值都高于环境压力，从增强的临界场意味着所有样品的压力都会诱发强烈的磁通钉住颗粒。从这个Ginzburg-Landau相干长度xi;=[Phi;₀/2pi;H_c2(0)]1/2，其中Phi;₀=2.07times;10-7 Gcm²，FexNbSe2（x=0，0.0008 amp; 0.0011）的零温度相干长度xi;_GL（0）被估计，它显示在表1。

图2 (a和b) NbSe的温度相关磁化测量₂，(c和d) Fe_0.0008NbSe₂， (e和f) Fe_0.0011NbSe₂ 在不同的磁场下的结果

图3 温度依赖于铁的上临界场Fe_xNbSe₂ (x = 0.0008 amp; 0.0011)。实线是用来拟合金兹堡-朗道方程的。