[論文レビュー] Multiorbital spin-triplet pairing and spin resonance in the heavy-fermion superconductor $\mathrm{UTe_2}$

Lei Chen, Haoyu Hu+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2021

Iron-based superconductors research被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、UTe₂におけるスピン三重項超伝導と反強磁性スピン共鳴の共存というパラドックスを解消するため、運動エネルギーハミルトニアンと非可換なペアリング行列を持つマルチオビタルスピン三重項ペアリング状態を提案する。この結果、バンド内ペアリング成分が反強磁性波数で自然にスピン共鳴を生成し、強い電子相関系における軌道自由度を通じてスピン三重項ペアリングと反強磁性スピン揺らぎを調和させる。

ABSTRACT

The heavy-fermion system $\mathrm{UTe_2}$ is a candidate for spin-triplet superconductivity, which is of considerable interest to quantum engineering. Among the outstanding issues is the nature of the pairing state. A recent surprising discovery is the observation of a resonance in the spin excitation spectrum at an antiferromagnetic wavevector [C. Duan {\it et al.}, Nature extbf{600}, 636 (2021)], which stands in apparent contrast to the ferromagnetic nature of the interactions expected in this system. We show how the puzzle can be resolved by a multiorbital spin-triplet pairing constructed from local degrees of freedom. Because it does not commute with the kinetic part of the Hamiltonian, the pairing contains both intra- and inter-band terms in the band basis. We demonstrate that the intraband pairing component naturally yields a spin resonance at the antiferromagnetic wavevector. Our work illustrates how orbital degrees of freedom can enrich the nature and properties of spin-triplet superconductivity of strongly-correlated quantum materials.

研究の動機と目的

• UTe₂におけるスピン三重項超伝導と反強磁性スピン共鳴の観測との間にある明らかな矛盾を解消すること。
• スピン三重項ペアリングが、反強磁性スピン揺らぎが支配的な系においてどのように生じるかを理解すること。
• 強い相関系であるUTe₂における軌道自由度が、スピン三重項ペアリングと反強磁性スピン共鳴の両方を支持するペアリング状態を可能にする仕組みを明らかにすること。
• ペアリング行列が運動項と非可換であることで、混合されたバンド内およびバンド間ペアリング成分が生じる理論的枠組みを確立すること。
• UTe₂におけるスピン共鳴エネルギーと複数のペアリングギャップの今後の定量的解析の基盤を築くこと。

提案手法

• 単位格子内のUサイトに関連するサブラティスおよび軌道自由度を含む局所的自由度を用いて、マルチオビタルスピン三重項ペアリング状態を構築する。
• スピン空間および軌道空間におけるペアリングを行列としてモデル化し、運動項とは非可換であることを仮定する。
• ペアリングをバンド基底に変換することで、バンド内およびバンド間ペアリング成分の両方が明らかになる。
• スピン三重項ペアリングのバンド内成分が、反強磁性波数で自然にスピン共鳴を生成することを示す。
• フェルミ磁性ダイマー相互作用と反強磁性セル間相互作用の相互作用の間で、原理的メカニズムを示す最小モデルを用いて検証する。
• 非ユニタリペアリングへの一般化により、時間反転対称性の破れとボゴリューボフ＝デヘンススペクトルにおける追加のスプリングを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UTe₂においてスピン三重項超伝導が反強磁性スピン揺らぎと共存できるメカニズムは何か？
• RQ2 スピン三重項ペアリング状態がどのように反強磁性波数でスピン共鳴を生成できるか？
• RQ3 UTe₂における軌道自由度が超伝導ペアリング状態の構造と性質に与える影響は何か？
• RQ4 超伝導状態における観測されたスピン共鳴が、UTe₂における相互作用の予想されるフェルミ磁性的性質と矛盾しないのはなぜか？
• RQ5 マルチオビタルペアリング枠組みは、スピン三重項ペアリングと反強磁性波数での共鳴の両方を説明できるか？

主な発見

• UTe₂におけるマルチオビタルスピン三重項ペアリング状態は運動エネルギーハミルトニアンと非可換であり、バンド基底において混合されたバンド内およびバンド間ペアリング成分を生じる。
• バンド内ペアリング成分が反強磁性波数で自然にスピン共鳴を生成し、系の中心的パラドックスを解消する。
• ペアリング機構は、ダイマー内での支配的フェルミ磁性的相互作用とセル間での反強磁性的相互作用に起因し、観測されたスピン揺らぎと整合的である。
• スピン三重項ペアリングの本質的性質は保たれているが、共鳴はバンド内成分に起因する。
• 非ユニタリペアリングへの一般化に対しても枠組みは安定であり、時間反転対称性の破れとボゴリューボフ＝デヘンススペクトルにおける追加のスプリングを可能にする。
• このモデルは、鉄系超伝導体やCeCu₂Si₂などの他の相関系へ概念的橋渡しを提供し、量子材料におけるマルチオビタルペアリングの広範な関連性を示唆する。