[論文レビュー] Field-induced tuning of the pairing state in a superconductor

Adrien Rosuel, C. Marcenat+13 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2022

Rare-earth and actinide compounds被引用数 11

ひとこと要約

本研究は、結晶学的3軸に沿った磁場下におけるウランジカルコイド化合物U₂Teの、初めての完全な熱力学的相図を報告し、低磁場におけるスピン三重粒子状態から高磁場におけるスピン singlet 超伝導状態への磁場調整型転移を明らかにした。主な発見は、*b*軸に沿った高磁場下で超伝導相内に明確な相転移が観測され、磁場誘起による対結合強度の増強および対称性の反転が強く示唆されることであり、これは超伝導体において類例のない現象である。

ABSTRACT

The recently discovered superconductor UTe$_2$, with a T$_c$ between 1.5~K and 2~K, is attracting much attention due to strong suspicion of spin-triplet and topological superconductivity. Its properties under magnetic field are also remarkable, with field-reinforced and field-induced superconducting phases. Here, we report the first complete thermodynamic determination of the phase diagram for fields applied along the three crystallographic directions. Measurements were performed up to 36~T along the hard magnetisation $b$~axis in order to follow the superconducting transition up to the metamagnetic transition at $H_{m} = 34.75$~T. They reveal the existence of a phase transition line within the superconducting phase, and drastic differences occurring between these two phases. Detailed analysis supports a different spin state between the two phases, implying a low-field spin-triplet to high-field spin-singlet transition, a unique case among superconductors, giving insight on the mechanisms leading to spin-triplet superconductivity.

研究の動機と目的

• 結晶学的3軸（*a*, *b*, *c*）に沿った磁場下におけるU₂Teの完全な熱力学的相図を特定すること。
• U₂Teにおける磁場強化型超伝導相が低磁場相とは異なる対称性を持つのかという長年の曖昧さを解消すること。
• 特に*b*軸に沿った高磁場下での上臨界磁場*H*_c2の増大の原因を解明し、その対称性に関する意味を明らかにすること。
• U₂Teにおいて低磁場と高磁場の超伝導相を分ける熱力学的相転移が存在するかを検証し、それにより異なる対称性機構が関与している可能性を示すこと。
• 磁場がスピン三重粒子からスピン singlet 対形成への転移を誘起するという仮説を検証すること。

提案手法

• 36 Tに達するまで、単結晶U₂Teを用いた高精度比熱測定を実施し、磁場および磁場方向の関数として超伝導転移温度*T*_cをマップした。
• (*b*, *c*)平面における角度依存比熱測定を実施し、超伝導相転移の磁場再配向依存性を調べた。
• メタ磁気転移磁場*H*_mの分布を考慮するため、比熱異常のガウス的広がり解析を実施（σ = 0.19 T）。
• 磁場依存対結合強度モデル*λ*(*H*/*H*_m)を用い、*H*_c2と*T*_cの関係を定式化し、*T*_cの*H*_mへの感度∂*T*_c/∂*H*_mを抽出した。
• パラ磁気制限を含む・含まない両方の*H*_c2理論モデルを比較し、観測された比熱異常の広がりに及ぼす対称性の影響を評価した。
• *C*/*T*データに対するガウスピークフィッティング手順を用いて、相境界をマッピングし、さまざまな磁場角度および強度における*T*_cを抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 *b*軸に沿った磁場強化型超伝導相が、異なる対称性を持つ独立した熱力学的相を示しているのか？
• RQ2 高磁場下のU₂Te超伝導相内に、対称性機構の変化を示す熱力学的相転移が存在するのか？
• RQ3 高磁場下での*H*_c2の増大は、スピン三重粒子からスピン singlet への磁場調整型転移によって説明可能か？
• RQ4 対結合強度*λ*(*H*)の磁場依存性が比熱異常の広がりに与える影響は何か？ これにより、背後にある対称性に何が示唆されるか？
• RQ5 メタ磁気転移磁場*H*_mの分布が、U₂Teで観測された比熱特徴をどのように形作っているのか？

主な発見

• *a*軸に沿った磁場下では、*T*_cに近接する*H*_c2の強い負の曲率が、低磁場域での対結合強度の顕著な抑制を示している。
• *b*軸に沿った磁場下では、36 Tまでの比熱測定により、体積的磁場強化型超伝導相が確認され、臨界磁場*H*_c2が30 Tを超えることが判明した。
• 高磁場下の*b*軸に沿った場合、超伝導相内に明確な相転移線が観測され、低磁場相と高磁場相が分離している。
• 低磁場相と高磁場相は顕著に異なる熱力学的挙動を示しており、それらが異なる対称性機構に起因している可能性を示唆している。
• *T*_cおよび*H*_c2の磁場依存性の詳細な解析は、高磁場下でスピン三重粒子からスピン singlet 対形成への転移が生じていることを支持しており、これは超伝導体において類例のない現象である。
• パラ磁気制限を含む*H*_c2モデルでは、比熱異常の広がりが顕著に大きくなることから、スピン singlet 対形成下では*H*_m分布への感度が強いことが示唆された。