[論文レビュー] Ferromagnetism and Superconductivity in Uranium Compounds

Dai Aoki, Flouquet, Jacques|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2011

Rare-earth and actinide compounds被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、ウラン系化合物 UGe₂、URhGe、UCoGe における強磁性と超伝導の共存をレビューする。ここでは、イジング型強磁性揺らぎに起因するスピン三重項超伝導が発現する。主な発見は、超伝導が強磁性状態で安定化されており、磁場下で転移温度が上昇し、スピンに依存するペアリングを示すことで、これらの移動電子系において、非単純的で、おそらくノードなしの超伝導オーダーパラメータが存在することを示している。

ABSTRACT

Recent advances on ferromagnetic superconductors, UGe2, URhGe and UCoGe are presented. The superconductivity (SC) peacefully coexists with the ferromagnetism (FM), forming the spin-triplet state of Cooper pairs. The striking new phenomena, such as SC reinforced by the magnetic field, are associated with Ising-type ferromagnetic fluctuations. A variety of ferromagnetic ordered moments between UGe2, URhGe and UCoGe affords to understand the relation between FM, tricriticality and SC.

研究の動機と目的

• ウラン系化合物における強磁性と超伝導の共存が、従来のBCS理論の期待とは反する理由を理解すること。
• イジング型強磁性揺らぎがスピン三重項超伝導を安定化させる役割を調査すること。
• UGe₂、URhGe、UCoGe における三臨界点、磁気秩序状態、超伝導転移の関係を明確にすること。
• これらの材料における非単純的ペアリング対称性および上臨界磁場の異方性を調査すること。
• 試料の品質や外部要因に起因する実験的課題が、バルク超伝導の確認を困難にすることを評価すること。

提案手法

• 圧力および磁場下での高品質単結晶 UGe₂、URhGe、UCoGe の実験データの分析。
• 上臨界磁場 Hc2 及びその角度依存性を調べる磁場依存測定を用い、ポイントノードギャップ構造と整合する異方性を特定。
• オーダーパラメータの対称性に基づく分類を適用し、スピンに依存する超伝導転移（T↓↓ > T↑↑）を説明。
• 自由エネルギーの非解析的補正を組み込んだ擬似実験的モデルを用い、量子臨界点付近での超伝導の増幅を記述。
• URhGe および UCoGe における磁場誘発転移を比較し、横磁場下での TCurie の2次的抑制（ΔTC ∝ -H²）に注目。
• RKKY相互作用およびスピン揺らぎ理論などの理論的枠組みを用い、移動電子の5f状態におけるスピン三重項ペアリングの発現を説明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UGe₂、URhGe、UCoGe において、従来の相互抑制の期待とは反して、なぜ超伝導が強磁性と共存できるのか？
• RQ2 超伝導ペアリング状態の性質は何か？また、強磁性秩序が存在する中で、従来のs波ペアリングとはどのように異なるのか？
• RQ3 UGe₂ において、超伝導転移温度 Tsc が臨界圧力 Pc で最大値を示すのはなぜか？三臨界点は果たす役割は何か？
• RQ4 Hc2 および TCurie の磁場依存性が、超伝導オーダーパラメータのギャップ構造および対称性に関する情報をどのように明らかにするか？
• RQ5 ドメイン壁や不均一性が、強磁性状態における超伝導の核生成にどの程度寄与しているのか？

主な発見

• UGe₂ では、Tsc が臨界圧力 Px で最大値を示し、磁気揺らぎが超伝導を強化する量子臨界点を示している。
• URhGe および UCoGe では、常圧下で超伝導が強磁性と共存しており、Tsc < TCurie であるため、超伝導が強磁性相内に発現していることが確認された。
• 上臨界磁場 Hc2 は顕著な異方性を示す：UCoGe では Hc2^a ≫ Hc2^c であり、これはラインノードではなくポイントノードギャップ構造を示唆している。
• 磁化に垂直な b 軸方向に磁場を印加すると、TCurie が2次的に抑制される（ΔTC ∝ -H²）ことが確認され、イジング型揺らぎと整合的である。
• 下スピンペアリング（T↓↓）の超伝導転移温度が上スピンペアリング（T↑↑）を上回ることから、スピン選択的ペアリングを示す二重バンド超伝導であることが示された。
• 理論的モデルは、超伝導が均一な磁性領域内よりも、強磁性ドメイン壁（弱結合として機能する）で優先的に核生成されることを示唆している。