[論文レビュー] $c$-axis transport in UTe$_{2}$: Evidence of Three Dimensional Conductivity Component

Yun Suk Eo, Shouzheng Liu+14 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2021

Rare-earth and actinide compounds被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、一般化されたモンゴメリー法を用いて、UTe₂の全3つの結晶学的軸に沿った電気抵抗率を測定し、Kondo状態の形成以降でも予想に反して等方的であるc軸輸送を明らかにした。c軸抵抗率には約10 Kで明著なピークが観察され、Kondoスクリーニングとは無関係な磁気散乱機構を示唆しており、複数の輸送チャネルと、スピン三重粒子超伝導の理解に不可欠な磁気的クロスオーバー尺度が存在することを示している。

ABSTRACT

We study the temperature dependence of electrical resistivity for currents directed along all crystallographic axes of the spin-triplet superconductor UTe$_{2}$. We focus particularly on an accurate determination of the resistivity along the $c$-axis ($ρ_c$) by using a generalized Montgomery technique that allows extraction of crystallographic resistivity components from a single sample. In contrast to expectations from the observed highly anisotropic band structure, our measurement of the absolute values of resistivities in all current directions reveals a surprisingly nearly isotropic transport behavior at temperatures above Kondo coherence, with $ρ_c \sim ρ_b \sim 2ρ_a$, that evolves to reveal qualitatively distinct behaviors on cooling. The temperature dependence of $ρ_c$ exhibits a peak at a temperature much lower than the onset of Kondo coherence observed in $ρ_a$ and $ρ_b$, consistent with features in magnetotransport and magnetization that point to a magnetic origin. A comparison to the temperature-dependent evolution of the scattering rate observed in angle-resolved photoemission spectroscopy experiments provides important insights into the underlying electronic structure necessary for building a microscopic model of superconductivity in UTe$_{2}$.

研究の動機と目的

• 高精度でUTe₂の全3つの結晶学的軸（a, b, c）に沿った絶対抵抗率を測定すること。
• 単一結晶を用いて一般化されたモンゴメリー法を適用することで、長年のc軸輸送に関する曖昧さを解消すること。
• 特に異方性の予想とは異なるc軸方向の異常な抵抗率挙動の起源を解明すること。
• 磁気輸送およびARPESデータとの比較を通じて、抵抗率の異常と磁気励起スペクトル・散乱機構を関連付けること。
• スピン三重粒子超伝導の微視的理論構築に不可欠な常態電子構造データを提供すること。

提案手法

• 電流および電圧の向きを制御した4端子測定を用い、異方性を持つ単一結晶から個々の抵抗率成分（ρₐ, ρ_b, ρ_c）を一般化されたモンゴメリー法で抽出した。
• 浮き圧法で成長させた高品質なUTe₂単結晶を用い、a軸、b軸、c軸に沿った電流に対する温度依存抵抗率を測定した。
• 14 Tの磁場下で磁気輸送測定を実施し、H ∥ aおよびH ∥ bの条件下で磁気抵抗（MR）および磁化率の変化（ΔM/H）を抽出した。
• 抵抗率データを角度分解光電子分光法（ARPES）の結果と比較し、温度依存の散乱率を分析した。
• 磁化および磁気応答データを分析して、磁気フラクチュエーションに関連するエネルギースケールを同定した。
• キュリー・ワイス解析を用いて高温域での磁化率を抽出し、反強磁性相互作用の程度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バンド構造の強い電子的異方性にもかかわらず、なぜc軸抵抗率（ρ_c）がρ_aおよびρ_bと驚くほど等方的であり、かつ高い値を示すのか？
• RQ2 ρ_aおよびρ_bで観察されるKondo状態形成温度（約30–40 K）よりもはるかに低い約10 Kでρ_cに明著なピークが現れる原因は何か？
• RQ3 c軸方向の輸送特性はa軸およびb軸方向とどのように本質的に異なっているのか？ これは、その背後にある輸送チャネルに何を示唆するのか？
• RQ4 ρ_cピークを引き起こす磁気散乱機構の性質は何か？ また、これは磁気励起スペクトルとどのように関係しているのか？
• RQ5 観察された抵抗率の異常は、磁化、磁気抵抗、およびARPESから得られた散乱率の特徴とどのように相関しているのか？

主な発見

• c軸抵抗率ρ_cは高温域でρ_aおよびρ_bとほぼ等方的であり、バンド構造の顕著な異方性とは対照的に、ρ_c ≈ ρ_b ≈ 2ρ_aの値を示した。
• ρ_cは約10 Kで顕著なピークを示し、ρ_aおよびρ_bで観察されるKondo状態形成温度（約30–40 K）よりも著しく低い温度で発現した。
• ρ_cのピークはH ∥ aの条件下で磁気抵抗（MR）およびΔM/Hの最小値と一致しており、c軸輸送を支配する10 K付近の磁気的クロスオーバー尺度が存在することを示した。
• ρ_cの温度依存性はKondoスクリーニングとは整合せず、むしろ約10 Kのエネルギースケールを持つ非Kondo型磁気散乱機構を示唆している。
• 観察されたクロスオーバーは磁化の量子臨界スケーリング（M/T ∝ H/T¹.⁵）と整合しており、15 K付近でフラクチュエーションスペクトルの変化が生じていることを示唆している。
• ARPESデータは温度依存の散乱率を示しており、ρ_cピークと相関しており、常態における電子相関と磁気フラクチュエーションの間の関連を支持している。