압력에 의한 2차원 vdW 중량 페르미온 금속 CeSiI의 초전도 현상

초록

CeSiI는 층상 vdW 구조를 가진 새로운 중량 페르미온 금속으로, 50 K 이하에서 Kondo 응집을, 7.5 K에서 장거리 반강자성(AFM) 순서를 보인다. 고압을 가하면 Kondo 온도 T*가 V자형으로 비단조적으로 변하고, 약 6 GPa에서 AFM이 사라지면서 초전도 돔이 형성돼 최고 Tc≈0.24 K에 도달한다. 상압에서 관측된 비정상적인 Kondo 특성, 압력에 따른 비페르미액체 거동, 그리고 Pauli 한계를 크게 초과하는 상한 임계장 Bc2는 모두 비정통적인 짝맞춤 메커니즘을 시사한다.

상세 분석

본 연구는 CeSiI의 압력 의존성을 정밀 전기저항 측정을 통해 전면적으로 규명하였다. 2 GPa ~ 6 GPa 구간에서는 Kondo 응집 온도 T와 반강자성 전이 온도 TN이 동시에 하강하는데, 이는 전형적인 Ce계 중량 페르미온에서 기대되는 Kondo 강화와는 상반된다. 저자들은 이를 결정구조 변화 혹은 스핀 산란 효과와 연관지어 해석한다. 6 GPa를 초과하면 T가 다시 상승하기 시작하고, 동시에 TN은 완전히 소멸한다. 이때 저항 곡선에 급격한 저항 감소가 나타나며, 이는 초전도 전이의 시작을 의미한다. 초전도 전이는 6 ~ 9 GPa 사이에 한정되어 있으며, 최고 Tc는 약 0.24 K이다.

자기장 의존성 측정에서 상한 임계장 Bc2(0)는 3 T 정도까지 도달했으며, 이는 Pauli 제한 Bp = 1.84 Tc를 4~7배 초과한다. 이는 스핀 삼중항(pairing) 혹은 강한 스핀‑궤도 결합에 의한 비정통 짝맞춤을 강하게 시사한다.

정상 상태 전도성 분석에서는 ρ(T)=ρ0+ATⁿ 형태의 전력법칙을 적용했으며, 압력에 따라 n이 2→1→2로 변하는 비페르미액체 → 비선형 → 페르미액체 전이를 보였다. 특히 P≈7 GPa 근처에서 n≈1, A가 급격히 발산하는데, 이는 양자 임계점(QCP)에서 전자 유효 질량이 무한대로 발산함을 의미한다. A(P)∝|P−Pc|⁻ᵝ 형태의 피팅에서 β가 압력 하측과 상측에서 각각 ≈0.5와 ≈1.25로 비대칭적인 임계 거동을 보이며, 이는 Fermi 표면 재구성 혹은 Kondo 붕괴와 연관된 비전통적 QCP일 가능성을 제시한다.

또한, CeSiI는 층상 구조와 약한 vdW 결합으로 인해 기계적 박리와 2차원 얇은 시트 제작이 가능하다. 이는 차원 축소에 따른 양자 플럭투에이션 강화와 중량 페르미온 초전도체의 Tc 상승 가능성을 탐색할 새로운 플랫폼을 제공한다.