Discovery of a Superconducting High-Entropy Alloy

凝聚态物理 超导电性 材料科学 电阻率和电导率 金属间化合物 磁化 临界场 电子结构 合金 热力学 物理 磁场 量子力学 复合材料
作者
Primož Koželj,S. Vrtnik,Andreja Jelen,Saša Jazbec,Zvonko Jagličić,Soumyadipta Maiti,M. Feuerbacher,Walter Steurer,J. Dolinšek
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:113 (10) 被引量:376
标识
DOI:10.1103/physrevlett.113.107001
摘要

High-entropy alloys (HEAs) are multicomponent mixtures of elements in similar concentrations, where the high entropy of mixing can stabilize disordered solid-solution phases with simple structures like a body-centered cubic or a face-centered cubic, in competition with ordered crystalline intermetallic phases. We have synthesized an HEA with the composition Ta34Nb33Hf8Zr14Ti11 (in at. %), which possesses an average body-centered cubic structure of lattice parameter a=3.36 Å. The measurements of the electrical resistivity, the magnetization and magnetic susceptibility, and the specific heat revealed that the Ta34Nb33Hf8Zr14Ti11 HEA is a type II superconductor with a transition temperature Tc≈7.3 K, an upper critical field μ0H_c2≈8.2 T, a lower critical field μ0Hc1≈32 mT, and an energy gap in the electronic density of states (DOS) at the Fermi level of 2Δ≈2.2 meV. The investigated HEA is close to a BCS-type phonon-mediated superconductor in the weak electron-phonon coupling limit, classifying it as a "dirty" superconductor. We show that the lattice degrees of freedom obey Vegard's rule of mixtures, indicating completely random mixing of the elements on the HEA lattice, whereas the electronic degrees of freedom do not obey this rule even approximately so that the electronic properties of a HEA are not a "cocktail" of properties of the constituent elements. The formation of a superconducting gap contributes to the electronic stabilization of the HEA state at low temperatures, where the entropic stabilization is ineffective, but the electronic energy gain due to the superconducting transition is too small for the global stabilization of the disordered state, which remains metastable.

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