[論文レビュー] Local spectroscopic evidence for a nodeless magnetic kagome superconductor CeRu$_2$

C. Mielke, H. Liu+12 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2022

Rare-earth and actinide compounds被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、ミュオンスピン回転（μSR）を用いて、CeRu₂がノードなしの超伝導体であり、異方的s波対称性を示す局所的スペクトロスコピックな証拠を直接得た。これは、複雑な磁気的応答を示すにもかかわらず、超伝導ギャップが完全にギャップありであり、臨界温度は約5 K、かつ希な磁気的kagome格子系において非単純な超伝導性を示している。

ABSTRACT

We report muon spin rotation ($μ$SR) experiments on the microscopic properties of superconductivity and magnetism in the kagome superconductor CeRu$_{2}$ with $T_{ m c}$~${\simeq}$~5~K. From the measurements of the temperature-dependent magnetic penetration depth $λ$, the superconducting order parameter exhibits nodeless pairing, which fits best to an anisotropic $s$-wave gap symmetry. We further show that the $T_{ m c}$/$λ^{-2}$ ratio is comparable to that of unconventional superconductors. Furthermore, the powerful combination of zero-field (ZF)-$μ$SR and high-field $μ$SR has been used to uncover magnetic responses across three characteristic temperatures, identified as $T_1^*$~${\simeq}$~110~K, $T_2^*$~${\simeq}$~65~K, and $T_3^*$~${\simeq}$~40~K. Our experiments classify CeRu$_{2}$ as an exceedingly rare nodeless magnetic kagome superconductor.

研究の動機と目的

• 局所的プローブスペクトロスコピーを用いてkagome超伝導体CeRu₂における超伝導ギャップ対称性を特定すること。
• 高いTcを示すレアf電子kagome系における超伝導と磁気の相関を調査すること。
• 高感度μSR測定を用いて、CeRu₂で観察された複数の磁気的転移の起源と性質を同定すること。
• 磁気的浸透率と超伝導密度の分析を通じて、CeRu₂における超伝導状態が非単純であるかどうかを評価すること。
• Ce 4f電子とRu d電子間の相関が、電荷秩序が存在しない状況下でノードなし超伝導を媒介する役割を果たすメカニズムを明確にすること。

提案手法

• 局所的磁気的応答を調べ、自発的な磁場を検出するためにゼロ場（ZF）-μSRおよび高場μSR実験を実施した。
• μSRデータから磁気的浸透率λ(T)の温度依存性を測定し、超伝導ギャップ構造を推定した。
• London浸透率λ−2(T)を用いて超伝導密度を抽出し、対称性の評価を行った。
• ゼロ場におけるμSR信号の緩和率を分析し、磁気秩序に関連する3つの特徴的温度（T₁* ≈ 110 K、T₂* ≈ 65 K、T₃* ≈ 40 K）を同定した。
• 既知の非単純超伝導体とのTc/λ−2比を比較し、超伝導の性質を評価した。
• μSR結果と高場ホール抵抗率データを照合し、磁気的不審な特徴の電子的起源を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CeRu₂における超伝導ギャップの対称性は何か？ノードを示すか、完全にギャップのある状態か？
• RQ2 CeRu₂で観察された110 K、65 K、40 Kの3つの明確な磁気的転移の起源は何か？
• RQ3 外場磁場下におけるCeRu₂の磁気的応答はどのように変化するか？これは磁気の性質に何を示唆するか？
• RQ4 超伝導密度と対称性の分析から、CeRu₂における超伝導が非単純であると示唆されるか？
• RQ5 Ce 4f電子とRu d電子間の相互作用は、このkagome格子系における超伝導と磁気の共存にどのように寄与するか？

主な発見

• CeRu₂における超伝導ギャップはノードなしであり、磁気的浸透率の温度依存性は、異方的s波対称性に最もよく適合した。
• 臨界温度Tc ≈ 5 Kは、他のkagome超伝導体と同等の値であるが、超伝導密度が希であり、非単純対称性を示唆している。
• Ce 4fとRu d電子間の複雑な相互作用に起因する3つの明確な磁気的転移が、T₁* ≈ 110 K、T₂* ≈ 65 K、T₃* ≈ 40 Kに同一定見られた。
• 磁場下では磁気的応答が著しく強化され、ゼロ場と比較して8 Tで緩和率が2桁上昇した。
• ZF-μSR信号は、外部磁場に対して核的寄与が感度を示さないため、異常が明確に電子的／磁気的起源であることを示している。
• 高場μSR結果は高場ホール抵抗率と整合的であり、磁気的特徴の電子的起源を確認し、励起的反強磁性の存在を支持している。