[論文レビュー] Evidence for broken time-reversal symmetry in the superconducting phase of URu$_2$Si$_2$

Elizabeth Schemm, R. E. Baumbach+4 more|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|Oct 6, 2014

Rare-earth and actinide compounds被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、高品質な単結晶を用いた偏光 Kerr 効果（PKE）測定により、URu₂Si₂ の超伝導状態における時間反転対称性の破れ（TRS）の直接的実験的証明がなされた。Tc ≈ 1.5 K 以下の温度で、微小で内在的な、磁場に依存する Kerr 電位が観測され、これは c 軸に沿った有限の対の角運動量によって TRS を破る E_g 対称性を示すキラル d 波超伝導ギャップ関数 Δ(k) ∝ sin(k_z c/2)(sin((k_x+k_y)a/2) ± i sin((k_x−k_y)a/2)) と整合的である。

ABSTRACT

Recent experimental and theoretical interest in the superconducting phase of the heavy fermion material URu$_2$Si$_2$ has led to a number of proposals in which the superconducting order parameter breaks time-reversal symmetry (TRS). In this study we measured polar Kerr effect (PKE) as a function of temperature for several high-quality single crystals of URu$_2$Si$_2$. We find an onset of PKE below the superconducting transition that is consistent with a TRS-breaking order parameter. This effect appears to be independent of an additional, possibly extrinsic, PKE generated above the hidden order transition at $T_{HO}=17.5$ K, and contains structure below $T_c$ suggestive of additional physics within the superconducting state.

研究の動機と目的

• URu₂Si₂ の超伝導状態が時間反転対称性（TRS）を破るかどうかを特定すること。これは、非単純対称性の主要な兆候である。
• 隠れた秩序相や磁性不純物に起因する外部寄与と、内在的な TRS 破れを区別すること。
• 超伝導状態における以前未解明であった低温異常の性質を、直接的な光学的プローブによって特定すること。
• キラル超伝導の理論的モデル、特に E_g 対称性およびスカイミオン的スピン構造を示す混合スレーター-トリプレット対称性を検証すること。

提案手法

• 300 mK にまで冷却した高品質な URu₂Si₂ 単結晶を用いて、偏光 Kerr 効果（PKE）測定が実施された。
• サニャック干渉計のセットアップにより、Kerr 角が測定され、これは3次元ホール伝導度 σ_xy の虚部に比例する。
• サンプルに磁場を印けて、Kerr 電位の起源を特定し、内在的寄与と外部寄与を区別した。
• 抵抗率および残留抵抗比（RRR）の測定により、サンプルの品質と超伝導転移温度 Tc が評価された。
• ギャップ関数 Δ(k) = Δ₀ sin(k_z c/2)(sin((k_x+k_y)a/2) ± i sin((k_x−k_y)a/2)) の理論的モデリングを用いて、TRS 破れと PKE の予測がなされた。
• 既知の TRS 破れを示す超伝導体、Sr₂RuO₄ および UPt₃ との比較的分析により、PKE 信号の解釈に必要な文脈が提供された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 URu₂Si₂ の超伝導状態が、キラル d 波対称性モデルが予測するように時間反転対称性を破るか？
• RQ2 観測された偏光 Kerr 効果は、超伝導状態に起因する内在的現象であるのか、それとも隠れた秩序転移や磁性不純物に起因する外部要因によって影響を受けるのか？
• RQ3 約 1 K 付近に観測された追加の PKE 異常は、何によって引き起こされ、超伝導ギャップ構造とどのように関係しているか？
• RQ4 PKE 信号が磁場に依存して変化する（field-trainable）ことは可能か？ その場合、その起源と超伝導ギャップ関数の性質に何を示唆するか？
• RQ5 観測された PKE 結果は、混合スレーター-トリプレット対称性や二重転移のシナリオを含む、URu₂Si₂ における超伝導の代替理論とどのように一致するか？

主な発見

• Tc ≈ 1.5 K 未満で、約 160 ナノラジアンの微小だが再現性のある偏光 Kerr 効果が観測され、超伝導状態における内在的時間反転対称性の破れを示している。
• Kerr 電位は磁場に依存し、25 K 付近の高温での PKE 電位とは独立しており、超伝導状態に起因する内在的 TRS 破れを支持する、明確な起源の違いを示している。
• 約 0.8–1 K に追加の PKE 異常が観測され、これは既知の超伝導体において類例のない現象であり、標準的な E_g キラル d 波モデルを超える物理学的現象を示唆している。
• 観測された TRS 破れは、Δ(k) ∝ sin(k_z c/2)(sin((k_x+k_y)a/2) ± i sin((k_x−k_y)a/2)) の形をとるキラル d 波超伝導ギャップ関数と整合的であり、これは c 軸に沿った有限の対の角運動量によって TRS を破る。
• 最近の報告では高磁場下で面内 TRS 破れモーメントが観測されたが、本データはその報告と矛盾しており、有限磁場下で相転移が起こるか、異なる対称性の超伝導状態が存在する可能性を示唆している。
• 結果は、c 軸に点ノードを有するキラル d 波対称性と、k_z = 0 および ±2π/c に線形ノードを有する理論的モデルを支持しており、内部磁場が観測される μSR の最近のデータとも整合的である。