[論文レビュー] Anisotropy Reversal of the Upper Critical Field at Low Temperatures and Spin-Locked Superconductivity in K2Cr3As3

Fedor Balakirev, Tai Kong+6 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2015

Iron-based superconductors research被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、K₂Cr₃As₃の上臨界磁場において、Cr鎖に垂直なHc2が~4 K未塔でCr鎖に平行なHc2を上回る異方性反転を明らかにした。これはスピンロックされた単重対超伝導を示唆している。最大60 Tに達する高場パルス磁場測定により、鎖に沿った方向ではポールイ限界的挙動、垂直方向では軌道的限界的挙動を示し、従来の低場解釈との矛盾を解消した。これは1次元超伝導であり、面内ジョセフソン結合と3次元バンド貢献を示唆している。

ABSTRACT

We report the first measurements of the anisotropic upper critical field $H_{c2}(T)$ for K$_{2}$Cr$_{3}$As$_{3}$ single crystals up to 60 T and $T > 0.6$ K. Our results show that the upper critical field parallel to the Cr chains, $H_{c2}^\parallel (T)$, exhibits a paramagnetically-limited behavior, whereas the shape of the $H_{c2}^\perp (T)$ curve (perpendicular to the Cr chains) has no evidence of paramagnetic effects. As a result, the curves $H_{c2}^\perp (T)$ and $H_{c2}^\parallel(T)$ cross at $T\approx 4$ K, so that the anisotropy parameter $γ_H(T)=H_{c2}^\perp/H_{c2}^\parallel (T)$ increases from $γ_H(T_c)\approx 0.35$ near $T_c$ to $γ_H(0)\approx 1.7$ at 0.6 K. This behavior of $H_{c2}^\|(T)$ is inconsistent with triplet superconductivity but suggests a form of singlet superconductivity with the electron spins locked onto the direction of Cr chains.

研究の動機と目的

• K₂Cr₃As₃における超伝導対称性の矛盾する解釈、特に三重対対比単重対対の問題を解消すること。
• 低場データからの外挿誤差を避けるために、60 Tまで達する温度依存の異方的Hc2の全範囲を測定すること。
• 異なる結晶学的方向におけるHc2に、パラメトリック対破壊効果と軌道効果のどちらが支配的かを特定すること。
• 準1次元Cr鎖が存在する中で、3次元バンドと面内ジョセフソン結合がHc2の異方性をどのように低減させるかを調査すること。
• 1次元的特徴と大きな初期Hc2勾配を併せ持つK₂Cr₃As₃における超伝導の性質を明確にすること。

提案手法

• 単結晶をCr鎖に平行および垂直に整列させ、接触なし近接検出器発振器（PDO）法を用いて最大60 Tの高場パルス磁場測定を実施した。
• 120 msの磁場パルス中における共振RFコイルの周波数シフトから、異方的上臨界磁場Hc2(T)を抽出した。
• 常磁性状態における直流磁化率χ(T)を測定し、試料の異方性および整列状態を確認した。
• Ginzburg-Landau理論を用いてコherence長および有効質量を推定し、軌道的限界挙動はBCSに類似したHc2(T)式を用いてモデル化した。
• 準1次元α/βバンドと3次元γバンドの寄与を組み込んだ2バンドモデルを検討し、やや低い異方性を説明した。
• パラメトリック対破壊効果は、Hc2勾配をポールイ限界（Hp = 1.84Tc）と比較することで評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cr鎖に沿った方向における上臨界磁場Hc2(T)は、パラメトリック対破壊を示すか。垂直方向と比較してどう異なるか。
• RQ2 なぜ異方性パラメータγH(T)がTcで約0.35から0.6 Kで約1.7に増加し、異方性反転を示すのか。
• RQ3 観測されたHc2(T)挙動は三重対超伝導によって説明可能か。それとも他の対称性機構を支持するか。
• RQ4 3次元γバンドは、準1次元Cr鎖が存在する中で、Hc2の全体的異方性をどのように低減させるか。
• RQ5 スピンロックとCr鎖間のジョセフソン結合は、観測されたHc2(T)挙動にどのように寄与するか。

主な発見

• Cr鎖に沿ったHc2∥(T)は明確にポールイ限界的挙動を示し、Tcで~12 T/Kの勾配を示し、パラメトリック対破壊と整合的である。
• Cr鎖に垂直なHc2⊥(T)はパラメトリック対破壊の兆候を示さず、低温で著しく増加し、~4 KでHc2∥(T)を上回る。
• 異方性パラメータγH(T) = Hc2⊥/Hc2∥は、Tcで0.35から0.6 Kで1.7に増加し、異方性反転を示している。
• Hc2⊥(0) ≈ 37 Tは、軌道的限界的挙動と整合的であり、横方向コherence長ξ⊥(0) ≈ 2.2 nmを示唆する。これは鎖間隔を上回る。
• やや低い質量異方性（m⊥/m∥ ≈ 3）と有限のHc2⊥(0)は、Cr鎖間の顕著な面内ジョセフソン結合を示唆している。
• 3次元γバンドはHc2に寄与し、全体の異方性を低減している可能性が高く、MgB2におけるそれと同様の役割を果たしている。たとえ超伝導が主に1次元的であっても。