[論文レビュー] Enhanced triplet superconductivity in next generation ultraclean UTe2

Z. Wu, T. I. Weinberger+18 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2023

Rare-earth and actinide compounds被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、塩フラックス法を用いて成長された次世代の超純粋な UTe2結晶において、硬い b 軸に近い領域で磁場強化型超伝導性が向上していることが報告されている。結果から、結晶性不純物がスピン三重粒子超伝導相の間をチューニングする磁気揺動を強く抑制することが明らかになった。超純粋な試料では、35 T まで安定な SC2 相が観測され、不純物由来の散乱が抑制されることで磁場強化型の挙動が強化されている。

ABSTRACT

The unconventional superconductor UTe$_2$ exhibits numerous signatures of spin-triplet superconductivity -- a rare state of matter which could enable quantum computation protected against decoherence. UTe$_2$ possesses a complex phase landscape comprising two magnetic field-induced superconducting phases, a metamagnetic transition to a field-polarised state, along with pair- and charge-density wave orders. However, contradictory reports between studies performed on UTe$_2$ specimens of varying quality have severely impeded theoretical efforts to understand the microscopic origins of the exotic superconductivity. Here, we report a comprehensive suite of high magnetic field measurements on a new generation of pristine quality UTe$_2$ crystals. Our experiments reveal a significantly revised high magnetic field superconducting phase diagram in the ultraclean limit, showing a pronounced sensitivity of field-induced superconductivity to the presence of crystalline disorder. We employ a Ginzburg-Landau model that excellently captures this acute dependence on sample quality. Our results suggest that in close proximity to a field--induced metamagnetic transition the enhanced role of magnetic fluctuations -- that are strongly suppressed by disorder -- is likely responsible for tuning UTe$_2$ between two distinct spin-triplet superconducting phases.

研究の動機と目的

• 次世代の超純粋単結晶を用いて、UTe2 の超伝導特性に関する矛盾する報告を解消すること。
• 結晶性不純物がスピン三重粒子超伝導相の間をチューニングする磁気揺動をどのように抑制するかを調査すること。
• 高磁場下における磁場強化型超伝導状態（SC2）の角依存性を特徴づけること。
• 超純粋な UTe2 における超伝導転移温度の向上と磁場強度との関係を確立すること。
• 不純物を含む試料との比較を通じて、磁場強化型超伝導状態の微視的起源を明確にすること。

提案手法

• 塩フラックス法を用いて成長した超純粋な UTe2 単結晶に対して、高磁場下での抵抗率および比熱測定が行われた。
• 磁場を硬い b 軸に近い方向に印加し、磁場強化型超伝導状態の角領域をマッピングするために、角度依存抵抗率測定が実施された。
• 磁場依存の自己エネルギー補正を含む弱結合 BCS 型モデルが、不純物の影響を電子の減衰率 Γₑ を通じて取り入れたものとして用いられた。
• マツバラ周波数の和を用いて自己無撞撃ギャップ方程式が導出され、磁場に対するオーダーパラメータの横方向（d⊥）および縦方向（d∥）成分が含められた。
• オーダーパラメータの平行成分のギャップ方程式への寄与を重みづけるために、実験的形態因子 c(θ,φ) を導入した。
• ディガンマ関数 ψ を用いて、電子グリーン関数に及ぼされる磁場および不純物効果を考慮し、臨界温度 Tc を磁場および不純物強度の関数として計算した。

Figure 1: Electrical resistivity, $\rho$ , as a function of temperature, $T$ , for three samples grown by the molten salt flux (MSF) technique (colored points), plotted alongside data reported for a chemical vapor transport (CVT) specimen in ref. [ 10 ] . $T_{\text{c}}$ values were determined by zer

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 結晶性不純物は、b 軸付近の磁場強化型超伝導相（SC2）の安定性および広がりにどのように影響するか？
• RQ2 高磁場下で SC2 相を安定化させる磁気揺動の役割は何か？
• RQ3 なぜ過去の研究では UTe2 の超伝導転移に関して矛盾する報告がなされたのか、そして試料の純度がこの矛盾をどのように解消するのか？
• RQ4 UTe2 の上臨界磁場がパウリ制限をどの程度超えているか、そしてこれはペアリング対称性にどのような含意を持つのか？
• RQ5 超純粋な試料と不純物を含む試料との間で、超伝導の角依存性はどのように変化するか？

主な発見

• 超純粋な UTe2 結晶は、以前の試料と比較して、b 軸に近い領域で顕著に広がった磁場強化型超伝導相（SC2）を示している。
• SC2 相における臨界温度 Tc は、超純粋な結晶で向上しており、不純物散乱が低減されることでより強い超伝導ペアリングが生じていることが示唆されている。
• 磁場が b 軸に近い方向に整列している場合、超伝導性は μ₀H ≈ 35 T まで持続しており、パウリパラメグネティック制限に強く耐えるスピン三重粒子ペアリングメカニズムに一致している。
• 超純粋な結晶では、磁場強化型 SC2 相の角領域が顕著に拡大しており、不純物によって抑制される磁気揺動がこの相の安定化に重要な役割を果たしていることが示唆されている。
• 不純物による磁気揺動の抑制は、磁場強化型超伝導状態の消失または弱体化と直接関連しており、過去の不純物を含む試料との対比から裏付けられている。
• 実験的形態因子 c(θ,φ) を含む磁場および不純物依存のギャップ方程式を用いた理論的モデリングにより、観測された Tc の角依存性および磁場依存性がうまく再現され、磁気揺動が超伝導状態のチューニングに果たす役割が確認された。

Figure 2: Magnetic field–temperature superconducting phase diagram of UTe 2 . For field oriented along each crystallographic axis, $T_{\text{c}}$ ( $H$ ) is enhanced for MSF samples (bold symbols) in comparison to CVT samples (pale symbols). Lines are given as a guide to the eye. Contacted (contactl