[論文レビュー] Gap nodes in the superconducting phase of the itinerant ferromagnet $UGe_2$

I. A. Fomin|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2002

Rare-earth and actinide compounds参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、移動性反強磁性体であるUAs₂における超伝導秩序パラメータの対称性保護されたギャップノードを同定し、2つの異なる超伝導相—A型およびB型—が、それぞれ容易磁化軸（z軸）におけるフェルミ面との交差点に点ノードを、等化面（k_z = 0）に線ノードを有することを示している。これらのノードは強いスピン軌道結合下での結晶および磁気的空間群の対称性に起因し、熱力学的物理量におけるべき乗則的温度依存性を引き起こし、実験的に両相を区別可能にする。

ABSTRACT

For the UGe$_2$ ferromagnetic superconductor the forms of the order parameter admitted by the crystal symmetry within the strong spin-orbit coupling scheme are written down. For each of the two possible phases existence of gap nodes required by symmetry is discussed and the nodes are found. Some consequences of presence of the nodes, which may be useful for experimental identification of the phases are discussed as well.

研究の動機と目的

• UAs₂の磁気空間群D₂(C₂)および強いスピン軌道結合を考慮したもとで、可能な超伝導秩序パラメータを分類すること。
• UAs₂の2つの異なる超伝導相において、ギャップノードが対称性的に禁じられているか、あるいは必須であるかを特定すること。
• ノードの存在に起因する実験的に検出可能なシグナル（べき乗則的温度依存性や比熱異常など）を同定すること。
• ノード構造および低温特性に基づいて、UAs₂のA型およびB型超伝導相を区別すること。

提案手法

• 強いスピン軌道結合下で、磁気空間群D₂(C₂)の2つのコアレプレゼンテーション（AおよびB）の基底関数を、ユニタリおよび反ユニタリ変換則に従って導出する。
• 時間反転対称性および空間対称性の制約を、秩序パラメータ成分f_x(k)、f_y(k)、f_z(k)に適用し、複素位相を含む特定の関数形を導出する。
• C₂^z回転および時間反転操作における秩序パラメータの振る舞いを分析することで、対称性保護されたノードを同定する。
• A型相では、対称性制約によりΨ_Aが(k_x=0, k_y=0)で消えることが示され、B型相ではΨ_Bがk_z=0に沿って消える。
• ノードの物理的意味を検討し、特に自発磁化が存在する場合の熱力学的物理量におけるべき乗則的温度依存性および比熱異常を考察する。
• 自発磁化が生成する磁場（H_M ~ 1 T）の影響を分析し、B型相の線ノードが、平方根に比例する磁場依存性を示す線形T依存比熱を生じることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強いスピン軌道結合および磁気空間群D₂(C₂)の下で、UAs₂における超伝導秩序パラメータの対称性許容形は何か？
• RQ2 UAs₂の超伝導相にギャップノードが存在するか。もしあるならば、そのトポロジカル構造（点ノードまたは線ノード）および空間的位置は何か？
• RQ3 A型およびB型相のノード構造は、対称性的保護および物理的結果においてどのように異なるか？
• RQ4 ノードの存在に起因する測定可能な熱力学的シグナルは何か。それらはどのように2つの超伝導相を区別するのに利用可能か？
• RQ5 UAs₂における自発磁化は、線ノードが存在する状況で低温比熱にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• A型超伝導相は、フェルミ面とz軸の交点（k_x=0, k_y=0）に、対称性によって保護された孤立した点ノードを有する。
• B型超伝導相は、等化面（k_z=0）に、C₂^z回転および時間反転対称性の変換性質に起因して対称性的に保護された線ノードを有する。
• ノードの存在により、比熱などの熱力学的物理量がノード構造に依存したべき乗則的温度依存性を示す。
• B型相では、線ノードと自発磁化（H_M ~ 1 T）の組み合わせにより、フェルミエネルギー準位に有限の状態密度が存在し、平方根に比例する磁場依存性を示す線形T依存比熱c_s ~ c_n √(H_M / H_c2)が生じる。
• A型相は点ノードを有するため、この比熱増強を示さず、両相を実験的に区別するための重要な指標となる。
• 本分析は、低温領域（T ≪ T_s）における熱力学的応答が2相で顕著に異なることを予測しており、比熱および熱輸送測定により実験的に同定可能である。