DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.5c16623
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41493802
تاريخ النشر: 2026-01-06
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: الكيمياء غير العضوية والمواد
نظرة عامة
في هذه الدراسة، نبلغ عن اكتشاف الموصلية الفائقة في W\(_3\)Re\(_2\)C المكعب، الذي يمتلك هيكلًا حلزونيًا ويظهر درجة حرارة انتقال موصلية فائقة \(T_c\) تبلغ حوالي 6.2 كلفن. تكشف التوصيفات الشاملة أن W\(_3\)Re\(_2\)C هو موصل فائق من النوع الثاني من نوع Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) يتميز بفجوة متساوية كاملة. تشير الحسابات من أوليات المبادئ إلى أن اقتران الإلكترون-الفونون (EPC) مدفوع بشكل أساسي بالتفاعلات بين حالات الإلكترون 5d لـ W/Re وفونونات التردد المنخفض. يؤدي كسر تناظر الانعكاس في هذا المركب إلى تشكيل نقاط Weyl في هيكله الإلكتروني، مما يشير إلى إمكانيته كمنصة لاستكشاف التفاعل بين الهياكل الحلزونية، والموصلية الفائقة، وطوبولوجيا النطاق.
في الختام، يظهر W\(_3\)Re\(_2\)C، الذي يتبلور في هيكل حلزوني مشابه لـ Mo\(_3\)Al\(_2\)C، موصلية فائقة كتلية مع درجة حرارة انتقال \(T_c \approx 6.2\) كلفن. يتم تصنيفه كموصل فائق من النوع الثاني BCS بقوة اقتران متوسطة وفجوة موصلية فائقة كاملة. ينشأ EPC السائد من تفاعل الفونونات ذات الطاقة المنخفضة مع الإلكترونات 5d لـ W/Re. هناك حاجة إلى تحقيقات مستقبلية لتوضيح تناظر الاقتران الموصلية الفائقة واستكشاف سلوكيات موصلية فائقة غير متبادلة محتملة.
مقدمة
تناقش المقدمة أهمية الموصلات الفائقة غير المركزية (NCSs)، التي تتميز باقتران الدوران-المدار غير المتناظر (ASOC) الذي يسمح بخلط أزواج Cooper من نوع السبين المفرد والسبين الثلاثي. يؤدي هذا الخلط إلى ظواهر فريدة، مثل العقد في دالة فجوة الموصلية الفائقة وسلوكيات غير متبادلة بسبب قفل الدوران-الزخم في الهياكل الحلزونية. من الجدير بالذكر أن هذه الموصلات الفائقة الحلزونية NCSs متوقعة لاستضافة فيرمونات مايورانا، التي تمتلك إحصاءات غير أبيلية، مما يجعلها مرشحة واعدة لتطبيقات الحوسبة الكمومية بسبب قوتها الطوبولوجية.
لقد تقدم اكتشاف CePt$_3$Si، وهو مركب ثقيل الفيرمونات يظهر كل من المغناطيسية المضادة والموصلية الفائقة، بشكل كبير في الأبحاث في هذا المجال. إن عدم وجود تناظر الانعكاس (مجموعة الفضاء P4mm) يؤدي إلى ASOC قوي وحالة اقتران مختلطة من السبين المفرد والثلاثي، كما يتضح من ميزات مثل فجوة موصلية فائقة عقدية وحقل حرج علوي يتجاوز حد باولي. توضح أمثلة أخرى، مثل Li$_2$Pt$_3$B و Mo$_3$Al$_2$C، الخصائص المتنوعة للـ NCSs، حيث تظهر Li$_2$Pt$_3$B توقيعات اقتران السبين الثلاثي وتكشف Mo$_3$Al$_2$C عن تفاعلات إلكترونية معقدة، بما في ذلك انتقال موجة كثافة الشحنة القطبية الذي يسبق حالتها الموصلية الفائقة. يشير تفاعل هذه العوامل داخل الهياكل الحلزونية إلى مشهد غني لاستكشاف الموصلية الفائقة غير التقليدية.
النتائج
تكشف الأبحاث حول W$_3$Re$_2$C أنه يتبنى هيكلًا مكعبًا مع مجموعة الفضاء P4$_1$32، وهو ما يميز هيكل β-Mn. في هذا الترتيب، يتم تنسيق كل ذرة كربون مع ست ذرات من التنجستن، مما يشكل أوكتاهدرا W$_6$C مشوهة تتشارك الزوايا. تشغل ذرات الرينيوم مواقع بينية وتظهر ترتيبًا حلزونيًا على طول المحور c، مما يساهم في الطبيعة غير المركزية والحلزونية للمركب. تم تحقيق التركيب الأمثل لـ W$_3$Re$_2$C بنسبة مولية من W:Re:C = 3:2:0.8، مع تأكيد تحليل EDX لنسبة ذرية من W إلى Re قريبة من 3:2 المتوقعة. لوحظت شوائب، خاصة W$_2$C، مع زيادة محتوى الكربون.
أشارت قياسات المقاومة الكهربائية إلى انتقال موصلية فائقة عند حوالي 6.23 كلفن، يتميز بعرض انتقال حاد أقل من 0.15 كلفن. أظهرت المقاومة المعتمدة على درجة الحرارة انخفاضًا دون هذا الانتقال، مع تحديد الحقل الحرج العلوي ليكون موصلية فائقة من النوع الثاني. دعمت قياسات الحرارة النوعية نموذج الموصلية الفائقة BCS، مع قفزة في الحرارة النوعية عند درجة حرارة الانتقال تشير إلى قوة اقتران متوسطة. تشير تحليل الحرارة النوعية الإلكترونية والمعلمات المستمدة، بما في ذلك درجة حرارة ديباي وثابت اقتران الإلكترون-الفونون، إلى أن الموصلية الفائقة في W$_3$Re$_2$C مدفوعة بشكل أساسي بالتفاعلات بين حالات الإلكترون 5d لـ W و Re والفونونات ذات التردد المنخفض. بالإضافة إلى ذلك، قد يؤدي كسر تناظر الانعكاس في هذا المركب إلى خصائص طوبولوجية فريدة، بما في ذلك ظهور نقاط Weyl، التي تم تأكيدها من خلال حسابات هيكل النطاق.
المناقشة
في هذا القسم، يوضح المؤلفون توصيف المادة والحسابات النظرية التي تم إجراؤها على المركب غير المركزي (NCS) W$_3$Re$_2$C. تم إجراء تحليل حيود الأشعة السينية بالمسحوق (PXRD) باستخدام مقياس حيود Bruker D8، مع تنفيذ تحسين Rietveld عبر TOPAS4. تم تأكيد التركيب من خلال التحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) باستخدام ميكروسكوب إلكتروني مجهر FEI Nano 450. تم إجراء قياسات النقل الكهربائي، وسعة الحرارة، والمغناطيسية باستخدام أنظمة تصميم الكم.
استخدمت التحقيقات النظرية نظرية الوظائف الكثيفة (DFT) ونظرية اضطراب الوظائف الكثيفة (DFPT) عبر حزمة Quantum ESPRESSO، باستخدام إمكانيات فوق ناعمة من نوع RRKJ في الشكلية Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE). ركزت الدراسة على الهياكل الإلكترونية، وطيف الفونون، والخصائص الموصلية الفائقة، مع تحليل اقتران الإلكترون-الفونون (EPC) من خلال دالة الطيف Eliashberg. تم حساب ثابت EPC الكلي $\lambda$، مما أدى إلى درجة حرارة انتقال موصلية فائقة $T_c \approx 6.2$ كلفن، مما يشير إلى أن W$_3$Re$_2$C يتصرف كموصل فائق من النوع الثاني BCS بقوة اقتران متوسطة وفجوة موصلية فائقة كاملة. يقترح المؤلفون مزيدًا من البحث لاستكشاف تناظر الاقتران الموصلية الفائقة وسلوكيات موصلية فائقة غير متبادلة محتملة.
DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.5c16623
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41493802
Publication Date: 2026-01-06
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Inorganic Chemistry and Materials
Overview
In this study, we report the discovery of superconductivity in cubic W\(_3\)Re\(_2\)C, which possesses a chiral structure and exhibits a superconducting transition temperature \(T_c\) of approximately 6.2 K. Comprehensive characterizations reveal that W\(_3\)Re\(_2\)C is a bulk type-II Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) superconductor characterized by a full isotropic gap. First-principles calculations suggest that the electron-phonon coupling (EPC) is primarily driven by interactions between the 5d electronic states of W/Re and their low-frequency phonons. The breaking of inversion symmetry in this compound leads to the formation of Weyl points in its electronic structure, indicating its potential as a platform for exploring the interplay between chiral structures, superconductivity, and band topology.
In conclusion, W\(_3\)Re\(_2\)C, which crystallizes in a chiral structure similar to Mo\(_3\)Al\(_2\)C, demonstrates bulk superconductivity with a transition temperature \(T_c \approx 6.2\) K. It is classified as a type-II BCS superconductor with intermediate coupling strength and a complete superconducting gap. The predominant EPC arises from the interaction of low-energy phonons with the 5d electrons of W/Re. Future investigations are warranted to elucidate the superconducting pairing symmetry and explore potential nonreciprocal superconducting behaviors.
Introduction
The introduction discusses the significance of noncentrosymmetric superconductors (NCSs), which are characterized by antisymmetric spin-orbit coupling (ASOC) that allows for the mixing of spin-singlet and spin-triplet Cooper pairs. This mixing leads to unique phenomena, such as nodes in the superconducting gap function and nonreciprocal behaviors due to spin-momentum locking in chiral structures. Notably, these chiral NCSs are predicted to host Majorana fermions, which possess non-Abelian statistics, making them promising candidates for quantum computing applications due to their topological robustness.
The discovery of CePt$_3$Si, a heavy-fermion compound exhibiting both antiferromagnetism and superconductivity, has significantly advanced research in this field. Its lack of inversion symmetry (space group P4mm) results in strong ASOC and a mixed singlet-triplet pairing state, evidenced by features such as a nodal superconducting gap and an upper critical field that exceeds the Pauli limit. Other examples, such as Li$_2$Pt$_3$B and Mo$_3$Al$_2$C, further illustrate the diverse properties of NCSs, with Li$_2$Pt$_3$B showing spin-triplet pairing signatures and Mo$_3$Al$_2$C revealing complex electronic interactions, including a polar charge density wave transition preceding its superconducting state. The interplay of these factors within chiral structures suggests a rich landscape for exploring unconventional superconductivity.
Results
The research on W$_3$Re$_2$C reveals that it adopts a cubic structure with the space group P4$_1$32, characteristic of the β-Mn-type structure. In this arrangement, each carbon atom is coordinated with six tungsten atoms, forming distorted W$_6$C octahedra that share corners. Rhenium atoms occupy interstitial sites and exhibit a helical arrangement along the c-axis, contributing to the noncentrosymmetric and chiral nature of the compound. The optimal synthesis of W$_3$Re$_2$C was achieved with a molar ratio of W:Re:C = 3:2:0.8, with EDX analysis confirming an atomic ratio of W to Re close to the expected 3:2. Impurities, particularly W$_2$C, were noted with increasing carbon content.
Electrical resistivity measurements indicated a superconducting transition at approximately 6.23 K, characterized by a sharp transition width of less than 0.15 K. The temperature-dependent resistivity exhibited a drop below this transition, with the upper critical field determined to be type-II superconductivity. Specific heat measurements further supported the BCS superconductivity model, with a specific heat jump at the transition temperature indicating an intermediate coupling strength. The analysis of electronic specific heat and the derived parameters, including the Debye temperature and electron-phonon coupling constant, suggest that the superconductivity in W$_3$Re$_2$C is primarily driven by interactions between W and Re 5d electronic states and low-frequency phonons. Additionally, the breaking of inversion symmetry in this compound may lead to unique topological properties, including the emergence of Weyl points, which were confirmed through band structure calculations.
Discussion
In this section, the authors detail the material characterization and theoretical calculations performed on the non-centrosymmetric (NCS) compound W$_3$Re$_2$C. The powder X-ray diffraction (PXRD) analysis was conducted using a Bruker D8 diffractometer, with Rietveld refinement executed via TOPAS4. The composition was confirmed through energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) using a FEI Nano 450 scanning electron microscope. Electrical transport, heat capacity, and magnetization measurements were carried out using Quantum Design systems.
Theoretical investigations employed density functional theory (DFT) and density functional perturbation theory (DFPT) via the Quantum ESPRESSO package, utilizing RRKJ-type ultrasoft pseudopotentials in the Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) formalism. The study focused on the electronic structures, phonon spectra, and superconducting properties, with the electron-phonon coupling (EPC) analyzed through the Eliashberg spectral function. The total EPC constant $\lambda$ was calculated, leading to a superconducting transition temperature $T_c \approx 6.2$ K, indicating that W$_3$Re$_2$C behaves as a type-II BCS superconductor with an intermediate coupling strength and a full superconducting gap. The authors suggest further research to explore the superconducting pairing symmetry and potential nonreciprocal superconducting behaviors.