[論文レビュー] High Resolution Polar Kerr Effect Measurements of Sr2RuO4: Evidence for Broken Time Reversal Symmetry in the Superconducting State

Jing Xia, Yoshiteru, Maeno+3 more|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|Jul 20, 2006

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 31

ひとこと要約

本研究では、1550 nmの光を用いたゼロ面積Sagnac干渉計を用い、高分解能の偏光 Kerr 効果（PKE）測定により、Sr2RuO4が超伝導状態において時間反転対称性（TRS）を破ることを直接実験的に裏付けた。Tc ≈ 1.5 K未満で最大65ナノラジアンの非ゼロ Kerr 回転が観測され、これはp波超伝導秩序パラメータ d(k) = ẑ[kx ± ik y] によるTRS破れを明確に示しており、3He-Aと類似している。

ABSTRACT

Polar Kerr effect in the spin-triplet superconductor Sr2RuO4 was measured with high precision using a Sagnac interferometer with a zero-area Sagnac loop. We observed non-zero Kerr rotations as big as 65 nanorad appearing below Tc in large domains. Our results imply a broken time reversal symmetry state in the superconducting state of Sr2RuO4, similar to He3-A.

研究の動機と目的

• 欠陥や不純物に依存せずに、Sr2RuO4の超伝導状態における時間反転対称性（TRS）の破れを明確に確立すること。
• 高感度な光学的手法を用いて、高品質な単結晶Sr2RuO4において、体積的で本質的なTRS破れ信号を検出すること。
• 非ゼロの偏光 Kerr 効果の存在を特定することで、超伝導秩序パラメータの対称性を同定すること。
• 観測された信号が、捕獲されたストリングや外部効果などの代替説明である可能性を排除すること。
• スピン三重項、奇数パリティ超伝導性に一致する d(k) = ẑ[kx ± ik y] p波対称性状態を確認すること。

提案手法

• 極めて感度の高い測定を実現するため、ゼロ面積ループSagnac干渉計を用いて偏光 Kerr 効果を測定し、10 μWの光パワーで100ナノラジアン/√Hzのショットノイズ制限感度を達成した。
• 光源として1550 nmのスーパーラミネスセントダイオード（SLED）を用い、偏光保持ファイバーやファイバーサーキュレーターにより偏光状態を維持した。
• ビームは電気光学モジュレータ（EOM）を介して直交する偏光成分に分割され、10 mの偏光保持ファイバーに導入された後、非球面レンズを介してSr2RuO4試料に集光された。
• ラムダ/4波プレートにより、直交する線形偏光が右回りおよび左回りの円偏光に変換され、TRS破れに起因する非再帰的位相差の検出が可能になった。
• 非再帰的位相差 φnr = 2θK が測定され、ここで θK はKerr回転角である。干渉計の設計により、再帰的効果からの信号分離が行われた。
• ヘリウム3冷凍機を用いて室温から0.5 Kまで測定を実施し、ストリングや磁場誘発アーティファクトの有無を検証するため、磁場冷却およびゼロ磁場プロトコルを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sr2RuO4は、その超伝導状態において、体積的で本質的な時間反転対称性の破れを示すか？
• RQ2 高品質なSr2RuO4単結晶において、Tc未満で非ゼロの偏光 Kerr 効果が検出可能であり、これはTRS破れ超伝導秩序パラメータを示唆するか？
• RQ3 観測されたKerr回転は、d(k) = ẑ[kx ± ik y] のp波超伝導状態と整合的か？他の可能な対称性と比較して。
• RQ4 観測された信号は、捕獲されたストリングや表面欠陥などの外部要因に起因する可能性はあるか？
• RQ5 Kerr回転の大きさと温度依存性は何か？また、超伝導ギャップにどのように依存するか？

主な発見

• Tc ≈ 1.5 K未満で最大65ナノラジアンの非ゼロ偏光Kerr回転が観測され、Tc以上では信号が認められず、体積的TRS破れ状態であることが示された。
• Kerr信号は温度が低下するにつれて増加し、超伝導秩序パラメータの成長と一致し、0.5 Kで飽和した。
• ゼロ磁場下でも信号が持続し、4.7 Oeまでの磁場で冷却しても信号が消滅しなかったため、捕獲されたストリングが原因ではないことが排除された。
• 高磁場下では信号の符号がランダムになったが、これはキラリシティの整列にHc1付近の磁場が必要であることを示しており、信号の起源が本質的であることを裏付けた。
• 測定された約65ナノラジアンの信号は、ギャップΔに比例する単純なモデルに基づく理論的推定値（約100ナノラジアン）と整合的である。
• 結果は、d(k) = ẑ[kx ± ik y] p波対称性状態を支持しており、Sr2RuO4はそのTRS破れ超伝導挙動において3He-Aと類似している。