NMR/NQR and AC-susceptibility Studies in the Weyl Semimetal Superconductor 1T-MoTe$_2$ under Pressure

Questo studio combina misurazioni di NMR, NQR e suscettibilità AC sotto pressione per rivelare che il semimetallo di Weyl superconduttore 1T-MoTe$_2$ esibisce un incremento della densità degli stati indotto dalla pressione coerente con la teoria BCS a basse pressioni, ma transita verso uno stato superconduttore a forte accoppiamento, potenzialmente non convenzionale, caratterizzato dall'assenza di un picco di coerenza di Hebel-Slichter e da una dipendenza dalla temperatura del campo critico superiore non-BCS ad alte pressioni.

L'essenziale

Immaginate un materiale chiamato MoTe2 (Tellururo di Molibdeno) come una città frenetica. In condizioni normali, questa città è un po' caotica, ma quando viene schiacciata con alta pressione, si trasforma in un tipo speciale di città dove l'elettricità scorre senza alcuna resistenza. Questo è chiamato superconduttività.

Gli scienziati in questo articolo volevano capire come e perché questa città diventa un superconduttore quando viene schiacciata. Hanno usato due strumenti principali per guardare dentro: l'NMR (che è come usare una radio molto sensibile per ascoltare il "battito cardiaco" degli atomi) e la suscettibilità AC (che è come controllare come la città reagisce a un "vento" magnetico).

Ecco la storia di ciò che hanno scoperto, suddivisa in parti semplici:

1. Schiacciare le cose le rende migliori (Ma non solo perché ci sono più persone)

Di solito, se vuoi che una città diventi più attiva, devi solo aggiungere più persone. In termini di fisica, aggiungere più "elettroni" (persone) al livello di energia in cui avviene la superconduttività di solito fa salire la temperatura superconduttiva ($T_c$).

• La prima metà della pressione (da 0 a 0,7 GPa): Quando hanno iniziato a schiacciare il materiale, il "battito cardiaco" degli atomi è accelerato e la temperatura superconduttiva è salita. Questo corrispondeva alla vecchia regola standard (chiamata teoria BCS). Era come aggiungere più persone alla città; più persone significavano più attività e una migliore superconduttività.
• La seconda metà della pressione (sopra 0,7 GPa): Qui le cose si sono fatte strane. Hanno continuato a schiacciare e la temperatura superconduttiva ha continuato a salire, anche se il "battito cardiaco" degli atomi aveva iniziato ad rallentare (il che significa che c'erano meno elettroni disponibili).
  • La metafora: Immaginate una festa dove la musica diventa più forte e il ballo più intenso, anche se il DJ ha in realtà abbassato il volume e ci sono meno persone sulla pista da ballo. Qualcosa d'altro deve essere la forza motrice della festa! Gli scienziati suggeriscono che qualcosa di "magnetico" (come un ritmo nascosto o un nuovo tipo di interazione) stia aiutando la superconduttività, andando oltre il manuale delle regole standard.

2. La città cambia la sua struttura, ma la radio non se ne accorge

Questo materiale ha due diversi "stili architettonici" (fasi): uno chiamato 1T' e un altro chiamato Td. Sotto pressione, la città passa da uno stile all'altro.

• La scoperta: Gli scienziati hanno usato la loro "radio" (NMR) per ascoltare gli atomi di Tellurio. Anche se gli edifici della città si stavano riorganizzando completamente, la radio non ha cambiato la sua sintonizzazione.
• La metafora: È come se una città ricostruisse completamente le sue strade e passasse da una disposizione a griglia a una circolare, ma la potenza del segnale e la frequenza della stazione radio locale rimanessero esattamente le stesse. Questo ci dice che le "onde radio" (le interazioni magnetiche) sono molto resistenti e non si curano molto della forma degli edifici.

3. La danza a "due passi" della superconduttività

Quando il materiale diventa finalmente un superconduttore ad alta pressione, gli scienziati hanno osservato come gli atomi si raffreddano.

• La scoperta: In un superconduttore semplice e standard, gli atomi di solito mostrano un improvviso "picco" di attività proprio prima di congelarsi in uno stato superconduttore (chiamato picco di coerenza). Questo materiale non ha mostrato quel picco. Inveve, ha mostrato un calo a due fasi.
• La metafora: Immaginate un gruppo di ballerini. In un ballo semplice, tutti smettono di muoversi esattamente nello stesso momento. In questo materiale, i ballerini si sono fermati in due gruppi diversi, l'uno dopo l'altro. Ciò suggerisce che la superconduttività non è uniforme; è come avere due diversi tipi di "piste da ballo" superconduttive che avvengono contemporaneamente (uno stato a gap multiplo).

4. La conclusione del "forte accoppiamento"

Misurando quanto deve essere forte il "vento" magnetico per fermare la superconduttività, hanno scoperto che il materiale si comporta come un sistema a forte accoppiamento.

• La metafora: Pensate agli elettroni come a ballerini che si tengono per mano. In un sistema "debole", si tengono per mano in modo lasco. In questo materiale, sotto alta pressione, si tengono per mano molto strettamente (forte accoppiamento). Questa presa salda rende la superconduttività molto robusta e capace di resistere a temperature e campi magnetici più elevati.

Riassunto

L'articolo ci dice che il MoTe2 è un materiale affascinante dove schiacciarlo crea un superconduttore.

1. All'inizio, schiacciare funziona nel modo "normale" (più elettroni = migliore superconduttività).
2. Più tardi, schiacciare funziona in un modo "misterioso" in cui qualcosa d'altro (probabilmente magnetico) potenzia la superconduttività anche quando gli elettroni sono scarsi.
3. La superconduttività è complessa, coinvolge due diversi "passi" o gap, suggerendo che potrebbe essere un tipo di superconduttore "non convenzionale" speciale.

Gli scienziati concludono che, sebbene abbiano fatto progressi, ci sono ancora molte domande aperte su come la natura "topologica" di questo materiale (la sua speciale forma elettronica) si connetta a questa danza superconduttiva. Devono continuare ad ascoltare la "radio" a temperature ancora più basse e pressioni più alte per sentire l'intera canzone.

Sommario tecnico

Sintesi Tecnica: Studi NMR/NQR e di suscettibilità AC nel semimetallo di Weyl superconduttore 1T-MoTe$_2$ sotto pressione

Problema e Motivazione
Il documento affronta i meccanismi microscopici che guidano l'incremento della temperatura di transizione superconduttiva ($T_c$) indotto dalla pressione nel semimetallo di Weyl 1T-MoTe$_2$. Sebbene la superconduttività emerga nella fase di semimetallo di Weyl del MoTe$_2$ a pressione ambiente ($T_c \approx 0,1$ K), essa è estremamente difficile da studiare a causa della bassa temperatura. L'applicazione della pressione aumenta la $T_c$ fino a circa 4 K a 2 GPa. Tuttavia, l'origine di questo incremento e la natura della simmetria di accoppiamento superconduttivo (ad esempio, $s_{++}$ vs $s_{+-}$) rimangono oggetto di dibattito. Lo studio mira a investigare la densità degli stati (DOS) a bassa energia vicino al livello di Fermi sotto pressione e a chiarire la sua influenza sull'incremento della $T_c$, utilizzando sonde sperimentali capaci di accedere sia agli stati dei fermioni di Weyl che all'ordine superconduttivo.

Metodologia
Gli autori hanno impiegato una combinazione di tecniche macroscopiche e microscopiche su campioni di 1T-MoTe$_2$ (sia polveri policristalline che monocristalli) sotto pressioni fino a 2,17 GPa:

1. Suscettibilità AC: Misurata tramite gli spostamenti della frequenza di risonanza di un circuito di sintonizzazione NMR (risonatore RLC) per determinare la $T_c$ e il campo critico superiore ($H_{c2}$).
2. Risonanza Magnetica Nucleare (NMR) e Risonanza Magnetica Nucleare Quadrupolare (NQR):
   • $^{125}$Te NMR: Effettuato sotto alta pressione (fino a 2,17 GPa) e a pressione ambiente. Po dato lo spin $I=1/2$ del $^{125}$Te, l'analisi ha evitato le complicazioni derivanti dalle interazioni quadrupolari nucleari. Le misurazioni hanno incluso lo spostamento di Knight ($K$) e il tasso di rilassamento spin-reticolo nucleare ($1/T_1$).
   • $^{97}$Mo NQR e $^{95,97}$Mo NMR: Condotti su campioni di polvere a pressione ambiente (4,2 K) per identificare le frequenze di risonanza e validare i calcoli teorici.
3. Calcoli First-Principles: La teoria del funzionale della densità (DFT) utilizzando i codici FPLO e WIEN2k è stata impiegata per calcolare la densità degli stati (DOS) e i tensori del gradiente del campo elettrico (EFG). Tali calcoli hanno supportato l'identificazione dei segnali NQR e hanno fornito una base teorica per l'interpretazione dei tassi di rilassamento sperimentali.

Risultati Chiave

• Parametri Superconduttivi e Accoppiamento Forte:
  La temperatura di transizione superconduttiva ($T_c$) e il campo critico superiore ($H_{c2}$) sono stati determinati a 0,68, 1,35 e 2,17 GPa. I dati deviano dal modello di accoppiamento debole WHH (Werthamer-Helfand-Hohenberg). Invece, i dati sono ben descritti dalla relazione fenomenologica $H_{c2}(T) = H_{c2}(0)[1 - T/T_c]^\alpha$. A 2,17 GPa, l'adattamento ha fornito $H_{c2}(0) = 1,50$ T, $T_c = 3,81$ K e $\alpha = 1,1$. Il valore di $\alpha > 1$ e l'aumento di $H_{c2}(0)$ con la pressione suggeriscono che il sistema entri in un regime superconduttivo ad accoppiamento forte.

• Densità degli Stati (DOS) e Correlazione con $T_c$:
  Il tasso di rilassamento spin-reticolo nucleare diviso per la temperatura ($1/T_1T$) seguiva la relazione di Korringa nello stato normale.

  • Bassa Pressione (< 0,7 GPa): $1/T_1T$ aumentava con la pressione, indicando un aumento della densità degli stati al livello di Fermi, $N(E_F)$. Questa tendenza rifletteva l'aumento della $T_c$, coerentemente con un meccanismo BCS convenzionale in cui l'incremento della $T_c$ è guidato da un aumento di $N(E_F)$.
  • Alta Pressione (> 0,7 GPa): $N(E_F)$, stimata tramite la relazione di Korringa, ha iniziato a diminuire leggermente, eppure la $T_c$ continuava a salire. Questa divergenza suggerisce che fattori oltre il convenzionale quadro mediato dai fononi (possibilmente fluttuazioni di spin) contribuiscono al meccanismo di accoppiamento alle pressioni più elevate.

• Firme di Superconduttività Unconventional:
  Nello stato superconduttivo a 2,17 GPa (dove il materiale si trova nella fase topologicamente banale 1T'), i dati $1/T_1T$ hanno mostrato due caratteristiche distinte:

  1. L'assenza di un picco di coerenza appena sopra $T_c$.
  2. Una diminuzione a due stadi di $1/T_1T$ appena sotto $T_c$.
     Queste osservazioni sono interpretate come potenziali firme di superconduttività non convenzionale e di uno stato superconduttivo a gap multipli, in linea con precedenti risultati $\mu$SR.

• Insensibilità alla Transizione di Fase Strutturale:
  Nonostante la transizione di fase strutturale dalla fase ortorombica $T_d$ alla fase monoclina $1T'$ che avviene sotto pressione, gli spettri NMR del $^{125}$Te non hanno mostrato segni di questa transizione o distinzione di sito. Ciò indica che le interazioni iperfini trasmesse ai siti del Te sono insensibili ai cambiamenti della simmetria cristallina e alle lievi variazioni dei parametri reticolari.

• Validazione della DFT:
  Le frequenze NQR del $^{97}$Mo sperimentali e i pattern NMR delle polveri concordavano bene con le previsioni DFT, validando i calcoli della DOS e dei parametri EFG. I calcoli hanno confermato che gli ambienti locali distinti dei siti Mo nella fase $T_d$ non portano a differenze significative nei parametri NQR.

Significatività e Rivendicazioni
Il documento sostiene di fornire una comprensione microscopica della superconduttività indotta dalla pressione in 1T-MoTe$_2$. I principali contributi sono:

1. Stabilire che il sistema entra in un regime di accoppiamento forte sotto alta pressione.
2. Dimostrare che, mentre l'incremento iniziale della $T_c$ (fino a ~0,7 GPa) segue il meccanismo BCS convenzionale tramite l'aumento della DOS, la continua crescita della $T_c$ alle pressioni più elevate implica un ulteriore contributo di accoppiamento, probabilmente di origine magnetica.
3. Identificare firme di superconduttività non convenzionale a gap multipli nella fase $1T'$ a 2,17 GPa, specificamente attraverso l'assenza di un picco di coerenza e il comportamento di rilassamento a due stadi.

Gli autori concludono che, sebbene i dati attuali offrano progressi preziosi, la relazione tra topologia elettronica e superconduttività in 1T-MoTe$_2$ rimane una questione aperta. Essi sottolineano che ulteriori indagini dettagliate sul parametro d'ordine superconduttivo attraverso intervalli più ampi di pressione e temperatura sono necessarie per determinare conclusivamente la potenziale realizzazione della superconduttività topologica.