[論文レビュー] Higgs-Leggett mechanism for the elusive 6e superconductivity observed in Kagome vanadium-based superconductors

Lingfeng Zhang, Zhi Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、kagome系バナジウム酸化物超伝導体における三つの2e超伝導秩序パラメータを含むヒッグス・レギットメカニズムを提案し、長年の謎であったリトル・パークス抵抗振動における6e周期性を説明する。リング幾何学において、秩序パラメータ間の位相巻き込みの違いがh/6eの磁束量子の倍数における準安定状態を生じるが、Z₂ねじれ性とヒッグス・レギットメカニズムによるドメイン壁の安定化により、整数倍のh/6e最小値のみが選ばれ、実験的観察と一致する。

ABSTRACT

A recent Little-Parks experiment on Kagome-structured superconductor CsV_3Sb_5 demonstrated remarkable resistance oscillations with period \phi0/3=hc/6e. Here, we perform analysis based on a theory involving three 2e superconductivity (SC) order parameters associated with the three reciprocal lattice vectors which connect M points of the hexagonal Brillouin zone. In a ring geometry we unveil that, as a series of metastable states, phase of one SC order parameter winds 2πmore or less than the other two ones around the ring, which yields local free energy minima at integer multiples of \phi0/3. Intriguingly, the ground-state degeneracy associated with a Z_2 chirality is crucial, and the Higgs-Leggett mechanism stabilizes domain walls (DW) between chiral domains. At low temperatures DW are expelled from the system resulting in free energy minima only at integer multiples of ϕ_0. Our theory explains successfully the 6e SC observed in experiments, which opens a door for approaching rich physics of Kagome superconductors.

研究の動機と目的

• CsV₃Sb₅におけるリトル・パークス抵抗振動の実験的観察された6e周期性を説明すること。
• 2eクーパー対の期待とは対照的に6e超伝導性が現れる理由という長年の謎を解明すること。
• 多チャンネル超伝導性、トポロジカル秩序、およびkagome格子における磁束量子化を結びつける理論的枠組みを確立すること。
• ヒッグス・レギットメカニズムがドメイン壁を安定化させ、縮退を解除することで、h/6e磁束最小値のみが選ばれることを示すこと。

提案手法

• 六角形ブリユアンゾーン内のM点を結ぶ逆格子ベクトルに関連する三つの2e超伝導秩序パラメータを用いて、系をモデル化する。
• 位相巻き込みとトポロジカルな欠陥を調べるため、リング幾何学で系を分析する。
• ねじれ性ドメイン状態を記述するため、Z₂ねじれ性自由度を導入する。
• ねじれ性ドメイン間のドメイン壁を安定化させるために、ヒッグス・レギットメカニズムを適用する。
• 自由エネルギーの地形を計算し、h/6eの磁束量子の倍数における局所的最小値を特定する。
• 低温においてドメイン壁が排除され、h/6eの整数倍の状態のみが基底状態としてエネルギー的に有利になることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2eクーパー対が存在するにもかかわらず、なぜCsV₃Sb₅の抵抗振動がh/6eの周期性を示すのか？
• RQ2 三つの2e秩序パラメータを有する多チャンネル超伝導状態が、どのように6e周期性を生じさせるのか？
• RQ3 ヒッグス・レギットメカニズムが特定の磁束量子化状態を選択するために果たす役割は何か？
• RQ4 ねじれ性ドメインの形成とドメイン壁の安定化が、観察された磁束周期性にどのように影響するのか？
• RQ5 なぜ基底状態においてはh/6eの整数倍の磁束量子のみが自由エネルギーの最小値として観察されるのか？

主な発見

• 一つの秩序パラメータと他の二つの秩序パラメータとの間で位相巻き込みの違いが2πである準安定状態が系に現れ、自由エネルギーの最小値がh/6eの磁束量子の倍数に現れる。
• 系のZ₂ねじれ性は縮退を解除し、特定の磁束状態の選択を可能にする上で不可欠である。
• ヒッグス・レギットメカニズムにより、ねじれ性ドメイン間のドメイン壁が安定化され、低温で排除される。
• 低温においてドメイン壁が排除されることで、h/6eの整数倍の状態のみがエネルギー的に有利となり、実験的観察と一致する。
• トポロジカル保護を伴う多チャンネル超伝導状態を通じて、kagome系バナジウム酸化物材料における6e超伝導性の出現を理論的に成功裏に説明できた。