[論文レビュー] Chiral superconductivity in UTe2 probed by anisotropic low-energy excitations

K. Ishihara, M. Roppongi+6 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2021

Rare-earth and actinide compounds被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、UTe2における異方的磁界浸透深度測定を通じて、非単位的 chiral $B_{3u}+iA_u$ 状態を特定し、時間反転対称性の破れとトポロジカルなマヨラナ準粒子の存在を支持する、2に近い指数を示すべきべき乗則的温度依存性を明らかにした。

ABSTRACT

Chiral spin-triplet superconductivity is a topologically nontrivial pairing state with broken time-reversal symmetry, which can host Majorana quasiparticles. The recently discovered heavy-fermion superconductor UTe$_2$ exhibits peculiar properties of spin-triplet pairing, and the possible chiral state has been actively discussed. However, the symmetry and nodal structure of its order parameter in the bulk, which determine the Majorana surface states, remains controversial. Here we focus on the number and positions of superconducting gap nodes in the ground state of UTe$_2$. Our magnetic penetration depth measurements for three field orientations in the Meissner state reveal the power-law temperature dependence with exponents nearly equal to 2 or less than 2, which excludes single-component spin-triplet states. The anisotropy of low-energy quasiparticle excitations indicates multiple point nodes near the $k_y$- and $k_z$-axes, evidencing that the order parameter has multiple components in a chiral complex form. We find that most consistent is a chiral $B_{3u}+iA_u$ non-unitary state, which provides fundamentals of the topological properties in UTe$_2$.

研究の動機と目的

• UTe2、鉄磁気量子臨界点に近い重いフェルミ粒子超伝導体における超伝導秩序パラメータの対称性とノード構造を特定すること。
• UTe2がchiralかつ時間反転対称性が破れる超伝導状態を有しており、トポロジカル性質を示すかどうかの論争を解消すること。
• 異方的低エネルギー準粒子励起を用いて、超伝導ギャップノードの存在と位置を同定すること。
• 温度依存の浸透深度の異方性に基づいて、単一成分と多成分秩序パラメータを区別すること。
• UTe2におけるノード構造とトポロジカルなマヨラナ準粒子の可能性との関連を確立すること。

提案手法

• 磁気的浸透深度測定（$\Delta\lambda(T)$）を、Meissner状態下で、3つの磁場方向（a, b, c 軸）に対して実施し、異方的準粒子励起を調べた。
• $\Delta\lambda(T)$ のべき乗則的温度依存性を分析し、ノード構造を推定した：電流方向に沿うノードでは $T^2$ 依存、それ以外では $T^4$ 依存となる。
• 弱い交流磁場をa, b, c 軸に沿って印加し、トンネルダイオード発振子技術を用いて、$\Delta\lambda(T)$ 比例の周波数シフトを測定した。
• 奇パリティ超伝導状態（例：$B_{3u}$, $A_u$, $B_{3u}+iA_u$）の理論的モデルを評価し、予測されたノード位置と $T$-依存性を実験データと比較した。
• 秩序パラメータ成分係数（$c_4$, $c_5$, $c_6$）を変化させた数値シミュレーションを実施し、$n_b$ と $n_c$ が $\Delta\lambda$ の $T$-依存性に与える影響を評価した。
• フェルミ面の幾何学的形状を考慮し、球対称フェルミ面と実際の3次元／準二次元フェルミ面の比較を行い、$n_a$ と $n_b$ の値に顕著な差が生じることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UTe2は、時間反転対称性が破れるchiral超伝導状態を有するか？
• RQ2 UTe2における超伝導ギャップのノード構造は何か？ また、磁場方向に依存してどのように変化するか？
• RQ3 観測された異方的 $T$-依存性の浸透深度を最もよく説明する多成分秩序パラメータ対称性（例：$B_{3u}+iA_u$）は何か？
• RQ4 異なる秩序パラメータ成分の相対的な大きさは、準粒子励起の異方性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 特定の磁場方向における $T^2$-に近い依存性は、電流方向に整列した点ノードの存在を確認できるか？

主な発見

• 磁気的浸透深度 $\Delta\lambda(T)$ は、すべての磁場方向で $T^2$-に近い依存性を示し、線ノードや完全ギャップとは異なり、複数の点ノードを示している。
• 異なる磁場方向における $\Delta\lambda(T)$ の異方性は、単一成分スピン三重項状態を除外する。これは、ノード方向に垂直な電流では $T^4$ 依存が予想されるためである。
• 実験データは、chiralな $B_{3u}+iA_u$ 非単位的状態によって最もよく説明され、時間反転対称性の破れとトポロジカル超伝導を支持する。
• $A_u$ 秩序パラメータの $c_4$ 成分が、$T$-依存性指数の試料依存性の主因であると特定され、ノード分裂と干渉効果の可能性がある。
• $a$-軸の準粒子励起は、$b$-および $c$-軸と比較して顕著に抑制されており、$B_{3u}+iA_u$ 状態における $a$-軸にノードがないことと整合的である。
• 理論的モデリングにより、実際のフェルミ面幾何学（Z点での3次元、準二次元のシート）は、球対称フェルミ面近似よりも実験データと良好に一致することが示され、特に $n_a$ と $n_b$ において顕著な改善が得られた。