[論文レビュー] Generalized Spin Fluctuation Feedback In Correlated Fermion Superconductors

Amin, Adil, Agterberg, D. F.|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、超流動ヘリウム3HeのA相を安定化するスピン揺動メカニズムにインspiredされた一般化されたスピン揺動フィードバックが、UPt3、PrOs4Sb12、U1−xThxBe13などの関連するフェルミオン系における二重超伝導転移を説明すると提案する。超伝導秩序パラメータを反強磁性または反強四極子揺動に結合させることで、時間反転対称性を保つネマチックA相が高臨界温度で安定化され、その後、2次転移によって時間反転対称性を破るB相に移行する。この理論は、実験的観察と対称性制約と整合的である。

ABSTRACT

Experiments reveal that the superconductors $ ext{UPt}_3$, $ ext{U}_{1-x} ext{Th}_x ext{Be}_{13}$ and $ ext{PrOs}_4 ext{Sb}_{12}$ undergo two superconducting transitions in the absence of an applied magnetic field. The prevalence of these multiple transitions suggests a common underlying mechanism. A natural candidate theory which accounts for these two transitions is the existence of a small symmetry breaking field, however such a field has not been observed in $ ext{PrOs}_4 ext{Sb}_{12}$ or $ ext{U}_{1-x} ext{Th}_x ext{Be}_{13}$ and has been called into question for $ ext{UPt}_3$. Motivated by arguments originally developed for superfluid $^3 ext{He}$ we propose that a generalized spin fluctuation feedback effect is responsible for these two transitions. We first develop a phenomenological theory for $^3 ext{He}$ that couples spin fluctuations to superfluidity, which correctly predicts that a high temperature broken time-reversal superfluid $^3 ext{He}$ phase can emerge as a consequence. The transition at lower temperatures into a time-reversal invariant superfluid phase must then be first order by symmetry arguments. We then apply this phenomenological approach to the three superconductors $ ext{UPt}_3$, $ ext{U}_{1-x} ext{Th}_x ext{Be}_{13}$ and $ ext{PrOs}_4 ext{Sb}_{12}$ revealing that this naturally leads to a high-temperature time-reversal invariant nematic superconducting phase, which can be followed by a second order phase transition into a broken time-reversal symmetry phase, as observed.

研究の動機と目的

• UPt3、PrOs4Sb12、U1−xThxBe13における二重超伝導転移の長年の謎を、未観測の対称性破れ場を仮定せずに解明すること。
• 超流動ヘリウム3Heにおけるスピン揺動フィードバックメカニズムを、非代替的ペアリングを示す関連フェルミオン超伝導体に拡張すること。
• 反強磁性または反強四極子揺動が、時間反転対称性を保つA相の次に、時間反転対称性を破るB相を安定化できるかどうかを特定すること。
• 対称性の議論と極性ケル効果測定を用いて、可能な秩序パラメータを制約すること。
• 揺動誘発ギンツブルグ＝ランダウ係数の再正則化に基づく、重フェルミオン超伝導体における複数の転移を統一的に説明する記述的フレームワークを提供すること。

提案手法

• スピン揺動フィードバックを組み込んだ、超流動ヘリウム3Heの記述的ギンツブルグ＝ランダウ理論を構築し、時間反転対称性を破るA相の安定化を再現する。
• 3Heのメカニズムを関連超伝導体にマッピングするため、類似した揺動チャネルを特定する：UPt3およびU1−xThxBe13では反強磁性（AFM）、PrOs4Sb12では反強四極子（AFQ）。
• 群論を用いて秩序パラメータの不可約表現（irreps）を分類し、A相およびB相の許容される対称性チャネルを特定する。
• 極性ケル効果測定からの対称性制約を適用し、特定の秩序パラメータチャネルを除外する。
• 揺動フィードバックによるギンツブルグ＝ランダウ係数の再正則化を計算し、揺動がA相をどのように安定化するかを示す。
• フィードバック項の形を用いて、各材料および不可約表現ごとに許容される秩序パラメータ成分を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般化されたスピン揺動フィードバックは、外部の対称性破れ場を必要とせずに、UPt3、PrOs4Sb12、U1−xThxBe13における二重超伝導転移を説明できるか？
• RQ2 観測された相の順序と対称性制約に適合する秩序パラメータの不可約表現は何か？
• RQ3 極性ケル効果測定は、PrOs4Sb12およびU1−xThxBe13における異なる秩序パラメータチャネルを区別できるか？
• RQ4 反強磁性または反強四極子揺動が、ギンツブルグ＝ランダウ自由エネルギーをどのように変更し、時間反転対称性を保つA相を安定化するか？
• RQ5 スピン揺動フィードバックの形から、PrOs4Sb12およびU1−xThxBe13の3D Tg/u表現におけるペアリングチャネルに課される制約は何か？

主な発見

• すべての3つの材料において、一般化されたスピン揺動フィードバックメカニズムは、高臨界温度での時間反転対称性を保つネマチックA相を安定化させ、その後2次転移によって時間反転対称性を破るB相に移行する。
• PrOs4Sb12の3D Tg/u不可約表現は、スピン揺動フィードバックの形のおかげで2つの可能なA状態のうち1つに制限され、ペアリングチャネルが制約される。
• 極性ケル効果測定は、PrOs4Sb12における2D Eg/u表現を除外する。今後の測定で訓練磁場の方向を変更することで、3D Tg/uケースの制約をさらに強化できる可能性がある。
• U1−xThxBe13の3D Tg/u表現において、スピン揺動フィードバックは2つの可能なA状態のうち1つしか許容しないため、ペアリング状態に対する強い制約が得られる。
• U1−xThxBe13における極性ケル測定は、2D (Eg/u) シナリオを除外し、3D (Tg/u) 表現におけるペアリングチャネルをさらに制約する。
• この理論は、3つの異なる材料における複数の転移を統一的に説明し、共通の揺動駆動安定化メカニズムを通じてそれらを結びつける。