[論文レビュー] Breaking of Ginzburg-Landau description in the temperature dependence of the anisotropy in the nematic superconductor

M. I. Bannikov, R. S. Akzyanov+6 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 31被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、サブmKの温度安定性を有する高品質なSrxBi2Se3単結晶における面内上臨界磁場異方性（Hc2）の温度依存性を測定している。ギンツブルグ＝ランダウ（GL）理論の予測とは異なり、臨界温度Tcに近い領域で特異性を示さず、滑らかで単調に減少する異方性の温度依存性が観測され、T ≈ Tcにおいても顕著な異方性（2–4）が維持される。この挙動はGL理論に反しており、ドーピングされたトポロジカル超伝導体におけるネマチック超伝導の記述においてGL理論の破綻を示唆している。

ABSTRACT

Nematic superconductors are characterized by an apparent crystal symmetry breaking that results in the anisotropy of the in-plane upper critical magnetic field $H_{c2}$. The symmetry breaking is usually attributed to the strain of the crystal lattice. The nature and the value of the strain are debatable. We perform systematic measurements of the $H_{c2}$ anisotropy in the high-quality Sr$_x$Bi$_2$Se$_3$ single crystals in the temperature range 1.8~K$<T<T_c\approx 2.7$~K using temperature stabilization with an accuracy of 0.0001 K. We observe that in all tested samples the anisotropy is weakly temperature dependent when $T<0.8\,T_c$ and smoothly decreases at higher temperatures without any sign of singularity when $T ightarrow T_c$. Such a behavior {is in a drastic contradiction with the prediction of} the Ginzburg-Landau theory for the nematic superconductors. We discuss possible reasons for this discrepancy.

研究の動機と目的

• Tcに近い領域における高品質なSrxBi2Se3単結晶のHc2異方性の温度依存性を調査すること。
• 2成分ベクトル秩序パラメータを有するネマチック超伝導体に対してギンツブルグ＝ランダウ（GL）理論の妥当性を検証すること。
• 観測された異方性の挙動を説明できるのは外部または自発的ひずみのどちらであるかを特定すること。
• 超伝導転移の幅が広がることなどの実験的アーティファクトが、観測された異方性の抑制の原因であるかどうかを除外すること。

提案手法

• 固定温度下での磁場依存抵抗測定R(H)を複数の角度で行い、Hc2(θ)を抽出する。
• ±0.0001 Kの高精度な温度安定化を用いて、Tcに近い微細な温度依存性を解明する。
• 温度および磁場関数としての抵抗率データの2次元補間を実施し、Tc(H)を10%、50%、90%の複数基準を用いて抽出し、転移の幅∆Tを定量する。
• ひずみ結合秩序パラメータを含むギンツブルグ＝ランダウ理論を用いて、Hc2異方性をモデル化し、外部および自発的ひずみ両方の寄与を考慮する。
• 線形化されたGL方程式とゲージ不変微分を用いて、異方性An = Hc2(θ=π/2)/Hc2(θ=0)を計算する。
• 実験的Hc2異方性と、ひずみ結合および温度依存性に関する異なる仮定の下での理論予測を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SrxBi2Se3におけるHc2異方性は、従来のギンツブルグ＝ランダウ理論の予測通り、Tcに近い領域で特異的または発散するか？
• RQ2 観測されたHc2異方性の温度上昇に伴う滑らかで単調な減少は、GL理論枠組み内での外部または自発的ひずみによって説明可能か？
• RQ3 観測された異方性の挙動は、Tcにおける超伝導秩序パラメータとひずみの有限な結合が存在することを示唆するか？
• RQ4 過渡の幅拡大や温度分布の不均一性などの実験的アーティファクトが、観測された異方性の抑制の原因である可能性はあるか？

主な発見

• SrxBi2Se3におけるHc2異方性は、T ≈ Tcにおいても顕著に維持され（約2–4）、GL理論が予測する特異的または発散的挙動とは矛盾する。
• T > 0.8Tcの領域では、異方性が滑らかで単調に減少し、Tcに近い領域で特異性や臨界増幅の兆候が一切認められない。
• T < 0.8Tcの領域では、異方性は弱く温度依存性を示し、広い温度範囲にわたり安定なネマチック秩序パラメータが存在することを示唆する。
• 外部または自発的ひずみを含むGL理論との整合性がなく、ドーピングされたトポロジカル超伝導体におけるネマチック超伝導の記述においてGLアプローチの破綻を示唆する。
• 転移幅∆Tは無視できるほど小さく、Tc(H) > 0.85Tc(0)の領域では最大Hc2および最小Hc2方向でほぼ同一であり、幅拡大が異方性抑制の原因であるとは考えられない。
• データは、超伝導秩序パラメータとひずみの結合がTcで消える可能性を示唆しており、これは有限だが発散しない正規化されたひずみδ/Aを意味し、標準的なGL予測とは一致しない。