[論文レビュー] Incommensurate Spin Fluctuations in the Spin-triplet Superconductor Candidate UTe$_2$

Chunruo Duan, Kalyan Sasmal+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2020

Rare-earth and actinide compounds被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、非弾性中性子散乱を用いて、UTe₂が0.3 Kまで静的な磁気秩序を示さないにもかかわらず、反強磁性波数に近い主要な非共鳴的スピン揺動が2.6 meVまで拡張されていることを明らかにした。DFT+DMFT計算により確認されたU-5f磁気モーメント間のRKKY相互作用によって駆動されるこれらの揺動は、Tc ≈ 1.6 Kの非単純スピン三重項超伝導の中心的要因である。

ABSTRACT

Spin-triplet superconductors are of extensive current interest because they can host topological state and Majorana ferimons important for quantum computation. The uranium based heavyfermion superconductor UTe$_2$ has been argued as a spin-triplet superconductor similar to UGe$_2$, URhGe, and UCoGe, where the superconducting phase is near (or coexists with) a ferromagnetic (FM) instability and spin-triplet electron pairing is driven by FM spin fluctuations. Here we use neutron scattering to show that although UTe$_2$ exhibits no static magnetic order down to 0.3 K, its magnetism is dominated by incommensurate spin fluctuations near antiferromagnetic (AF) ordering wave vector and extends to at least 2.6 meV. We are able to understand the dominant incommensurate spin fluctuations of UTe$_2$ in terms of its electronic structure calculated using a combined density functional and dynamic mean field theory.

研究の動機と目的

• UTe₂におけるスピン揺動の性質と起源を特定すること。UTe₂はTc ≈ 1.6 Kのスピン三重項超伝導体候補である。
• スピン三重項対称性を想定するにあたり、強磁性（FM）スピン揺動が磁気応答を支配しているかどうかを特定すること。
• ab initio計算を用いて、観測された非共鳴的スピン揺動とUTe₂の電子構造を結びつけること。
• スピン揺動がRKKY相互作用に起因するのか、それとも重い5fバンドのフェルミ表面ネストに起因するのかを明確にすること。
• 非共鳴的スピン揺動がUTe₂における非単純超伝導の駆動に果たす役割を確立すること。

提案手法

• 0.3 Kから12 Kの温度範囲で単結晶UTe₂を用いて非弾性中性子散乱（INS）を実施し、スピン揺動の波数およびエネルギー依存性を調べた。
• 非共鳴散乱およびボーズ分布因子の補正を施した上で、非共鳴的波数Q₁およびQ₂における動的スピン感受率χ′′(E, Q)を測定した。
• 中性子のスピン極化分析を用いてスピン揺動の性質を評価し、強磁性と反強磁性の特徴を区別した。
• フェルミ表面およびスピン揺動波数をモデル化するため、DFT+DMFT電子構造計算を実施した。
• 計算されたフェルミ表面ネスト波数およびRKKY相互作用波数を、実験的に観測されたQ_ICと比較し、支配的メカニズムを同定した。
• χ′′(E)の温度依存性を分析し、Tc未満での増幅を評価し、スピン単重項超伝導体における中性子スピン共鳴と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UTe₂におけるスピン揺動の空間的およびエネルギー的依存性は何か？非共鳴的特性を示すか？
• RQ2 スピン三重項超伝導体として期待されるように、UTe₂において強磁性スピン揺動が支配的であるか？
• RQ3 観測された非共鳴的スピン揺動の電子的起源は何か—RKKY相互作用かフェルミ表面ネストか？
• RQ4 UTe₂におけるスピン揺動は、Sr₂RuO₄やURhGeといった他のスピン三重項候補とどのように比較できるか？
• RQ5 非共鳴的スピン揺動がスピン三重項超伝導の形成にどの程度寄与しているか？

主な発見

• UTe₂は0.3 Kまで静的な磁気秩序を示さず、そのパラ磁性基底状態が確認された。
• 非弾性中性子散乱により、反強磁性波数に近い波数Q₁およびQ₂に集中する強い非共鳴的スピン揺動が観測された。
• スピン揺動は少なくとも2.6 meVまで拡張されており、ボーズ分布因子に従うため、集団的磁気励起状態であることが示された。
• Q₁およびQ₂における動的スピン感受率χ′′(E)は、Tc未満で顕著な増幅を示さず、スピン単重項超伝導体に見られる中性子スピン共鳴とは対照的であった。
• 強磁性スピン揺動は磁気感受率データから示唆されるが、その大きさは弱く、約0.7 meV以上で消滅しており、スピン応答を支配するものではないことが示された。
• DFT+DMFT計算により、観測されたQ_ICは、U-5f磁気モーメント間のRKKY相互作用によって最もよく説明され、実験的波数と一致する約0.61b*の動的モーメント転送が得られた。