[論文レビュー] Magnetoresistance oscillations and the half-flux-quantum state in spin-triplet superconductor Sr2RuO4

Xing Cai, Yiqun Ying+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2015

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、マイクロサイズの二重連結なSr2RuO4シリンダーを用い、スピン三重項超伝導体における半フラックス量子状態を調べるために、磁気抵抗振動を調査した。面内磁場と電流依存測定を用い、ビスマス貫通に起因する抵抗振動の増幅を特定し、特定の面内磁場でディップ特徴を観測した。これは、特にボルテックス動的を局在化させる構造的狭窄部を有する試料において、半フラックス量子状態の出現を示唆している。

ABSTRACT

We report results of our low-temperature magneto electric transport measurements on micron-sized short cylinders of odd-parity, spin-triplet superconductor Sr$_2$RuO$_4$ with the cylinder axis along the $c$ axis. The in-plane magnetic field and measurement current dependent magnetoresistance oscillations were found to feature an amplitude much larger than that expected from the conventional Little-Parks effect, suggesting that the magnetoresistance oscillations originate from vortex crossing. The free-energy barrier that controls the vortex crossing was modulated by the magnetic flux enclosed in the cylinder, the in-plane field, measurement current, and structural factors. Distinct features on magnetoresistance peaks were found, which we argue to be related to the emergence of half-flux quantum states, but only in samples for which the vortex crossing is confined at specific parts of the sample.

研究の動機と目的

• 低温度磁電気輸送測定を用いて、スピン三重項超伝導体Sr2RuO4における半フラックス量子状態を実験的に探査すること。
• マイクロサイズの二重連結なSr2RuO4シリンダーにおいて、半フラックス量子状態が検出可能となる条件を特定すること。
• 面内磁場、測定電流、および試料形状がボルテックス貫通ダイナミクスおよび自由エネルギー障壁に与える影響を理解すること。
• 従来のトルク磁化率測定結果と磁気抵抗振動シグネチャを比較し、輸送測定によるエキゾチックなボルテックス状態の検出可能性を評価すること。

提案手法

• Si/SiO2基板上に、機械的剥離とフォーカスドアイタイプ（FIB）リソグラフィーを用いてマイクロサイズの二重連結なSr2RuO4シリンダーを作製した。
• 正確な電流および電圧測定を可能にするために、200 nmのAu（10 nmのTi下地を含む）を用いた四端子または六端子電極を設けた。
• 面内磁場制御のための超伝導ヘルムホルツコイル系を用い、20 mKの低温下でドーナツ型冷凍機を用いたdc磁気抵抗測定を実施した。
• 面内磁場（H||ab）と測定電流を変化させ、ボルテックス貫通ダイナミクスおよび自由エネルギー障壁の変調を調査した。
• フラックス依存障壁を越える熱励起ボルテックス貫通を記述するAmbegaokar-Halperin（AH）モデルを用いて抵抗振動を解析した。
• ボルテックス貫通が特定の位置で発生するように、構造的不均一性（狭窄部や弱い結合部）と抵抗特徴を相関させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 面内磁場下において、Sr2RuO4シリンダーの磁気抵抗振動は、半フラックス量子状態のシグネチャを明らかにできるか？
• RQ2 構造的狭窄部や弱い結合部の存在が、ボルテックス貫通ダイナミクスおよびエキゾチックなボルテックス状態の検出可能性に与える影響は何か？
• RQ3 面内磁場と測定電流が、半フラックス量子状態の安定化または変調に果たす役割は何か？
• RQ4 理論的予想に反し、トルク磁化率測定では観測されやすい半フラックス量子状態が、なぜ磁気抵抗測定では観測されにくいのか？
• RQ5 運動エネルギーとスピン軌道相互作用が自由エネルギーに与える寄与が、半フラックス量子状態の安定性および可視化可能性に与える影響は何か？

主な発見

• 磁気抵抗振動の振幅は、従来のLittle-Parks効果に予想される値よりも顕著に大きく、ボルテックス貫通が主なメカニズムであることを示唆している。
• 400 Oeおよび600 Oeの面内磁場で抵抗振動にディップ特徴が観測され、特にボルテックス動的が局在化した試料において、半フラックス量子状態の出現を示唆している。
• 狭窄部を有する試料では、1000 Oeで抵抗ディップが観測され、理論的予測と整合的であり、半フラックス量子状態の安定化を示している。
• 振動周期約23.7 Oeは、有効半径527 nmに対応しており、SEMで測定された半径よりも小さいことから、フラックススクリーニングまたは端効果が寄与している可能性がある。
• シリンダーの各腕間で約10 µAの臨界電流の差が観測され、非対称なボルテックス浸透または弱い結合部の存在を示している。
• AHモデルのフィットから得られたゼロ温度での浸透深度は、バルク値よりも大きく、トルク測定での磁気モーメントの低減と整合的であり、エキゾチックなボルテックス状態の存在を支持している。