Local probe magnometry of superconductivity in low dimensional pnictides

Gosar, Žiga (author), Arčon, Denis (mentor)

Materials from the $\mathrm{A_2Mo_3As_3}$ family where A = K, Rb, or Cs, are investigated using nuclear magnetic resonance (NMR), nuclear quadrupole resonance (NQR) and muon spin spectroscopy ($\mu$SR) techniques. They all show unconventional superconductivity, albeit with different methods showing a different nature of the superconductivity. $^{75}$As NQR on $\mathrm{Cs_2Mo_3As_3}$ shows point-node superconducting gap symmetry. Other methods and samples show gapped behavior, some of them with unusual gap sizes. Above $T_c$, the $^{87}$Rb NMR in $\mathrm{Rb_2Mo_3As_3}$ shows Tomonaga-Luttinger liquid behavior with attractive interactions. Other samples show a conventional Korringa relation indicating a 3D conducting state. $\mu$SR measurements on $\mathrm{Rb_2Mo_3As_3}$ show either $s$-wave superconductivity with a gap smaller than the BCS prediction or $p$-wave symmetry of the superconducting gap with a BCS-sized gap. Similarly, $\mathrm{Cs_2Mo_3As_3}$ measurements also suggest $p$-wave symmetry of the superconducting gap. Additionally, a nitrogen-vacancy center laboratory is established, and its capabilities are demonstrated. Techniques such as optically detected magnetic resonance (ODMR), Rabi oscillations, and longitudinal relaxation rate measurements are demonstrated on bulk diamonds. These techniques are employed to investigate the Johnson noise of a conducting surface using nanodiamonds deposited on that surface. The technique proved to be challenging due to nanodiamond clustering and variability between nanodiamonds.

• Language: English
• Keywords: nitrogen-vacancy center, superconductivity, $\mathrm{K_2Mo_3As_3}$, $\mathrm{Rb_2Mo_3As_3}$, $\mathrm{Cs_2Mo_3As_3}$, nanodiamond, pnictide, relaxometry
• Work type: Doctoral dissertation
• Typology: 2.08 - Doctoral Dissertation
• Organization: FMF - Faculty of Mathematics and Physics
• Year: 2026
• PID: 20.500.12556/RUL-183194
• COBISS.SI-ID: 280809475
• Publication date in RUL: 07.06.2026

Secondary language

• Language: Slovenian
• Title: Magnetometrija superprevodnosti v nizko-dimenzionalnih pniktidih z lokalnimi sondami

Abstract

Obravnavani so materiali iz družine $\mathrm{A_2Mo_3As_3}$, kjer A stoji za K, Rb ali Cs. Preiskovani so z metodami nuklearne magnetne resonance (NMR), kvadrupolne resonance (NQR) in mionske spinske spektroskopije ($\mu$SR). V vseh preiskovanih materialih je bila opažena nekonvencionalna superprevodnost, pri čemer so različne metode razkrile različno naravo superprevodnosti. $^{75}$As NQR na vzorcu $\mathrm{Cs_2Mo_3As_3}$ je pokazal simetrijo $p$ superprevodne reže s točkovnimi vozli. Druge metode in vzorci so pokazale obnašanje z običajno superprevodno režo, pri nekaterih z nenavadnimi velikostmi vrzeli. Meritve $^{87}$Rb NMR na vzorcu $\mathrm{Rb_2Mo_3As_3}$ nad temperaturo prehoda $T_c$, so pokazale obnašanje Tomonaga-Luttingerjeve tekočine s privlačnimi interakcijami. V drugih vzorcih pa je šlo za relacijo Korringa, ki nakazuje tridimenzionalno prevodno stanje. Meritve $\mu$SR na $\mathrm{Rb_2Mo_3As_3}$ kažejo bodisi simetrijo $s$ superprevodne reže, z velikostjo reže manjšo od napovedi BCS teorije, bodisi simetrijo $p$ superprevodne reže z velikostjo reže. Podobno meritve na $\mathrm{Cs_2Mo_3As_3}$ prav tako nakazujejo simetrijo $p$ superprevodne reže. Poleg tega je bil vzpostavljen laboratorij za meritve s centri dušik-praznina (centri NV). Opisana je eksperimentalna postavitev in prikazane so zmogljivosti laboratorija. Najprej so predstavljene tehnike, kot so optična detekcija magnetne resonance (ODMR), Rabijeve oscilacije in meritve longitudinalne relaksacije. Te tehnike so bile uporabljene za meritve Johnsonovega šuma prevodne površine s centri NV v nanodiamantih nanesenih na površino. Tehnika se je izkazala za zahtevno zaradi združevanja nanodiamantov v gruče in razlik med nanodiamanti.

• Keywords: center NV, center dušik-praznina, superprevodnost, $\mathrm{K_2Mo_3As_3}$, $\mathrm{Rb_2Mo_3As_3}$, $\mathrm{Cs_2Mo_3As_3}$, nanodiamant, pniktid, relaksometrija