[論文レビュー] Evidence of a two-component order parameter in 4Hb-TaS2 in the Little-Parks effect

Avior Almoalem, Irena Feldman+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2022

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ひとこと要約

本研究では、単結晶リングを用いたLittle-Parks効果を用いて、4Hb-TaS₂における二成分超伝導ギャップ関数の直接的証拠を提供している。臨界温度の揺動にπシフトが観測され、符号変化を示すペアリングを示唆しており、面内磁場下でのTcの増大も観測された。両者とも、ねじれ型でトポロジカルに非自明な超伝導状態と整合的である。これらの結果は、4Hb-TaS₂がねじれ型超伝導体であり、トポロジカルな量子現象を示す可能性を強く支持する。

ABSTRACT

Finding unambiguous evidence of non-trivial pairing states is one of the greatest experimental challenges in the field of unconventional superconductivity. Such evidence requires phase-sensitive probes susceptible to the internal structure of the order parameter. We measure the Little-Parks effect to provide clear evidence of an unconventional superconducting order parameter in 4Hb-TaS$_2$. Namely, we find a $π$-shift in the transition-temperature oscillations of rings made of a single crystal. We argue that such an effect can only occur if the underlying order parameter belongs to a two-dimensional representation, in other words there are two degenerate order parameters right at the transition. Additionally, we show that $T_c$ is enhanced as a function of the out-of-plane field when a constant in-plane field is applied. Such an increase is consistent with a chiral state, which again, in general only emerges from a two-component order parameter. In combination with previous experiments, our results strongly indicate that 4Hb-TaS$_2$ indeed realizes a chiral superconductor.

研究の動機と目的

• 4Hb-TaS₂における非単純超伝導の明確な実験的証拠、特に二成分ギャップ関数を特定すること。
• 相関系超伝導体における非s波ペアリング対称性を検出する長年の課題を解決すること。
• 4Hb-TaS₂の超伝導状態が、先行する間接的証拠が示唆するようにねじれ型かつトポロジカルに非自明であるかどうかを特定すること。
• 単結晶リングを用いた位相感受性測定を用いて、超伝導転移におけるギャップ関数の内部構造を調べること。

提案手法

• 単結晶4Hb-TaS₂から作製した超伝導リングにおけるLittle-Parks揺動の測定を通じて、フラックスォイド量子化と位相コherー二ンスを検出する。
• 磁束の関数としての臨界温度（Tc）揺動の分析により、符号変化を示すギャップ関数の兆候となるπシフトパターンを同定する。
• 面内および面外磁場を適用して、Tcの応答を調べ、ねじれペアリングチャネルへの結合を検出する。
• ひずみ結合型二成分ギャップ関数を有するギンツブルグ＝ランダウ理論を用いて、トポロジカルな欠陥に起因するπジャンクションの形成をモデル化する。
• 構造的ひずみ場が、ギャップ関数のフラストレーションを引き起こし、πジャンクションを誘導する原因であると特定する。
• 実験的揺動パターンと理論的モデルの比較を通じて、s波と非単純二成分ペアリングの区別を図る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4Hb-TaS₂リングにおけるLittle-Parks効果は、臨界温度の揺動にπシフトを示すか。これは符号変化ギャップ関数の証拠である。
• RQ2 観測されたπシフトは、サンプルの不均一性や多結晶効果ではなく、二成分ギャップ関数に起因するものか。
• RQ3 固定された面内磁場下で面外磁場を印加した際のTcの増大は、ねじれ型超伝導状態を支持するか。
• RQ4 構造的ひずみが、トポロジカル欠陥およびπジャンクションを誘導する役割を果たすか。
• RQ5 実験データは、Tcにおける二次元的ギャップ関数表現で一貫して説明可能か。

主な発見

• 約半数の単結晶4Hb-TaS₂リングで、Little-Parks揺動におけるTcのπシフトが観測され、これは従来のs波ペアリングとは整合しない符号変化ギャップ関数を示唆している。
• πシフトは温度サイクルにわたり安定しており、熱的サイクルや多結晶効果ではなく、内在的な構造的ひずみに起因するとされ、二成分ギャップ関数の確認が得られた。
• 小さな面内磁場を固定した状態で面外磁場を印加した際、Tcの増大が観測され、ねじれ型超伝導状態への結合と整合的である。
• 理論的モデリングにより、2π回転対称性を有するひずみ場は、ギャップ関数に分岐切断を誘導し、πジャンクションを形成できることを示した。これは観測された揺動シフトを説明する。
• πジャンクションとTcの増大が共存することは、Tcにおいて二成分ギャップ関数を有するねじれ型超伝導状態を強く支持する。
• 先行するSTM、μSR、および渦の記憶データと併せたこれらの結果は、4Hb-TaS₂がねじれ型超伝導体であり、トポロジカル超伝導の可能性を示す説得力ある証拠を提供する。