[論文レビュー] Anomalous quasiparticle transport in the superconducting state of CeCoIn5

Y. Kasahara, Yasuyuki Nakajima+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2005

Rare-earth and actinide compounds被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、CeCoIn$_5$の超伝導状態における熱ホール伝導度 ($\kappa_{xy}$) を測定し、$T_c$ よりも低い温度で準粒子の平均自由行程が著しく増大することを明らかにした。この増大は弱い磁場によって急速に抑制される。結果とスケーリングおよび状態密度解析を組み合わせることで、$d$-波超伝導対称性が確認され、CeCoIn$_5$ が異常なボーラー励起状態を示すと予測される超クリーン領域 ($\varepsilon_F/\Delta \ll \ell/\xi$) に位置することを示した。

ABSTRACT

We report on a study of thermal Hall conductivity k_xy in the superconducting state of CeCoIn_5. The scaling relation and the density of states of the delocalized quasiparticles, both obtained from k_xy, are consistent with d-wave superconducting symmetry. The onset of superconductivity is accompanied by a steep increase in the thermal Hall angle, pointing to a striking enhancement in the quasiparticle mean free path. This enhancement is drastically suppressed in a very weak magnetic field. These results highlight that CeCoIn_5 is unique among superconductors. A small Fermi energy, a large superconducting gap, a short coherence length, and a long mean free path all indicate that CeCoIn_5 is clearly in the superclean regime (E_F/Delta<

研究の動機と目的

• CeCoIn$_5$ の超伝導状態における準粒子輸送を熱ホール伝導度を用いて調査すること。
• クリーンな超伝導体における準粒子の平均自由行程とその磁場依存性を特定すること。
• 熱ホールスケーリングおよび状態密度解析を用いて、CeCoIn$_5$ の超伝導ギャップ対称性が $d$-波であるかどうかを検証すること。
• 超伝導体の中で唯一見られる、非常に弱い磁場に対する準粒子輸送の極めて高い感受性の原因を特定すること。
• CeCoIn$_5$ が $\ell/\xi \gg \varepsilon_F/\Delta$ で特徴づけられる超クリーン領域に位置するかどうかを立証すること。

提案手法

• 単結晶を用い、熱流が [100] 方向、磁場が c 軸方向を向く条件下で、定常状態法を用いて縦方向 ($\kappa_{xx}$) および横方向 ($\kappa_{xy}$) の熱伝導度を測定した。
• 準粒子の平均自由行程 $\ell$ を推定するために、熱ホール角 $\Theta = \tan^{-1}(\kappa_{xy}/\kappa_{xx})$ を決定した。
• 低磁場領域における線形 $H$-依存性から、$|\kappa_{xy}|/B$ のゼロ磁場極限値を抽出し、内在的な準粒子輸送を分離した。
• $\kappa_{xy}$ の $T$-および $H$-依存性を解析し、$d$-波超伝導体で予想されるスケーリング行動があるかどうかを検証した。
• 抽出された準粒子の平均自由行程を、コherence長 $\xi$ およびフェルミエネルギー $\varepsilon_F$ と比較し、超クリーン領域に位置するかどうかを評価した。
• $\kappa_{xy}$ から導かれた状態密度を用いて、$d$-波対称性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CeCoIn$_5$ の熱ホール伝導度 $\kappa_{xy}$ は、$d$-波超伝導対称性と整合するスケーリング行動を示すか？
• RQ2 超伝導状態における準粒子の平均自由行程 $\ell$ は何か？ また、温度および磁場の変化に伴ってどのように変化するか？
• RQ3 なぜ、他の超伝導体とは異なり、非常に弱い磁場によっても準粒子の平均自由行程が著しく抑制されるのか？
• RQ4 CeCoIn$_5$ は、$\ell/\xi \gg \varepsilon_F/\Delta$ で特徴づけられる超クリーン領域に位置するか？
• RQ5 CeCoIn$_5$ で観測された異常なボーラー核準粒子散乱の起源は何か？

主な発見

• 熱ホール角 $\Theta$ は、$T_c$ よりも約 1 K 低い温度で顕著な最大値を示し、準粒子の平均自由行程が急激に増大していることを示している。
• 弱い磁場下で準粒子の平均自由行程 $\ell$ は約 1 $\mu$m に達し、コherence長 $\xi \sim$ 5 nm よりも著しく大きいことが確認され、超クリーン領域に位置していることが裏付けられた。
• わずか 0.06 T の弱い磁場ですら、$\ell$ の著しい抑制を引き起こしており、これは超伝導体の中で類例のない現象である。
• $\kappa_{xy}$ の $H$-依存性は、0.64 K よりも低い温度で約 0.06 T にピークを示し、YBCO などの超クリーン高 $T_c$ カップレートに見られるものと類似している。
• $\kappa_{xy}$ のスケーリングおよびその導出された状態密度は、$d$-波超伝導対称性と整合的である。
• $\varepsilon_F/\Delta \sim$ 3 は、$\ell/\xi \sim$ 200 よりも著しく小さいため、強いボーラー粘性および異常なボーラー力学を示すと予測される超クリーン領域に位置していることが確認された。