Emergence of strong-coupling superconductivity and quantum criticality correlated with Lifshitz transitions in the alternate stacking compound 4Hb−TaS2

超导电性 联轴节(管道) 临界性 量子 物理 统计物理学 凝聚态物理 计算机科学 量子力学 材料科学 核物理学 冶金
作者
Shuxiang Xu,Junze Deng,Jingjing Gao,Fanyu Meng,Keyu Chen,Pengtao Yang,Ningning Wang,Ziyi Liu,Jianping Sun,Yoshiya Uwatoko,Hechang Lei,Xuan Luo,Yuping Sun,Nanlin Wang,Zhijun Wang,B. S. Wang,Jinguang Cheng
出处
期刊:Physical review 卷期号:109 (14)
标识
DOI:10.1103/physrevb.109.144522
摘要

$4{H}_{b}\text{\ensuremath{-}}\mathrm{Ta}{\mathrm{S}}_{2}$ is a naturally formed quasi-two-dimensional heterojunction material composed of alternating monolayers of insulating ($1T$-) and superconducting ($1H$-) $\mathrm{Ta}{\mathrm{S}}_{2}$. We report on a comprehensive high-pressure study on the interplay between charge-density wave (CDW) and superconductivity (SC) in $4{H}_{b}\text{\ensuremath{-}}\mathrm{Ta}{\mathrm{S}}_{2}$. The results uncover a dome-shaped strong-coupling superconductor on the border of a 3 \ifmmode\times\else\texttimes\fi{} 3 commensurate CDW at ${P}_{\mathrm{c}1}\ensuremath{\approx}2.0$ GPa: (1) nearly one order enhancement of upper critical field ${B}_{c2}$(0); (2) the derived $2{\mathrm{\ensuremath{\Delta}}}_{0}/{k}_{\mathrm{B}}{T}_{c}$ beyond the BCS theory, decaying to a conventional one above 4.5 GPa; (3) the exponent of normal-state resistivity $n\ensuremath{\approx}1.50$ and triply enhanced electronic effective mass. Under pressure, a third CDW emerging from 2.0 GPa is related to the original two CDWs, then disappears above 11.5 GPa. The temperature dependence of ${B}_{c2}(T)$ collapses into a universal curve and the comparison of ${B}_{c2}(T)$ to a polar-state function in $4{H}_{b}\text{\ensuremath{-}}\mathrm{Ta}{\mathrm{S}}_{2}$. Theoretical calculations proposed the stronger interlayer coupling and band hybridization responsible for strong-coupling SC; the suppression of new CDWs is related to band inversions between the $1T$-Ta-${d}_{xy}$ (GM1+) and S-${p}_{z}$ bands (GM2-) at the $\mathrm{\ensuremath{\Gamma}}A$ point; above 5.0 GPa, the coexisting weak-coupling SC and linear magnetoresistance can be attributed to the formation of electronic bands along the $M\ensuremath{-}K$ lines and the $\mathrm{\ensuremath{\Gamma}}A$ point. Our discovery provides an excellent example to demonstrate the interplay of the strong-coupling superconducting state and topological electronic state in van der Waals heterojunctions.
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