[論文レビュー] Point Node Gap Structure of Spin-Triplet Superconductor UTe2

Tristin Metz, Seokjin Bae+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2019

Rare-earth and actinide compounds被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、熱伝導度、磁気浸透深度、比熱の併合測定に基づき、UTe2が超伝導ギャップに点ノードを有するスピン三重粒子超伝導状態を示すことが明らかになった。零磁場下での残渣的熱伝導度が極めて小さく、浸透深度の2次温度依存性が、点ノードに一致する低エネルギー準粒子励起を確認した。一方、異常な比熱を説明するための量子臨界的寄与による状態密度の発散が、エントロピー収支を回復させ、超伝導状態におけるT³比例の電子比熱を支持する。

ABSTRACT

Low-temperature electrical and thermal transport, magnetic penetration depth, and heat capacity measurements were performed on single crystals of the actinide superconductor UTe2 to determine the structure of the superconducting energy gap. Heat transport measurements performed with currents directed along both crystallographic a- and b-axes reveal a vanishingly small residual fermionic component of the thermal conductivity. The magnetic field dependence of the residual term follows a rapid, quasi-linear increase consistent with the presence of nodal quasiparticles, rising toward the a-axis upper critical field where the Wiedemann-Franz law is recovered. Together with a quadratic temperature dependence of the magnetic penetration depth up to T/T_c=0.3, these measurements provide evidence for an unconventional spin-triplet superconducting order parameter with point nodes. Millikelvin specific heat measurements performed on the same crystals used for thermal transport reveal an upturn below 300 mK that is well described by a divergent quantum-critical contribution to the density of states (DOS). Modeling this contribution with a T^{-1/3} power law allows restoration of the full entropy balance in the superconducting state and a resultant cubic power law for the electronic DOS below T_c, consistent with the point-node gap structure determined by thermal conductivity and penetration depth measurements.

研究の動機と目的

• アクチニド超伝導体UTe2における超伝導ギャップ構造を特定すること。この物質は、フェロ磁性フラクチュエーションと非単純超伝導を共存させている。
• 長年の比熱測定の不一致を解消すること。具体的には、通常状態の50％に達する大きな残渣的電子比熱項が、未対応の流体を示唆していたが、エントロピー収支に矛盾していた。
• 残渣的T線形項の解釈の矛盾を、熱伝導度で検出可能なフェルミ粒子的寄与が存在しないことと整合化すること。
• 高い上臨界磁場と超伝導転移に伴うKnightシフトの変化が認められないことを踏まえ、UTe2の超伝導状態がスピン三重粒子対称性とノードを持つギャップ対称性と整合するかを検証すること。

提案手法

• クーラーを用いた単結晶UTe2に、a軸およびb軸に沿った電流を流して、準粒子励起の方向的異方性を調べる熱伝導度測定を実施した。
• 温度依存性（T/Tc = 0.3まで）の磁気浸透深度測定により、超伝導ギャップの温度依存性を評価した。2次関数的T²依存性が、ノード構造を示唆した。
• 熱輸送に用いた同一結晶を用いて、ミリケルビン温度域での比熱測定を実施し、低温挙動を分析し、フォノン以外の寄与を特定した。
• C/Tの低温上昇に、T⁻¹/³の形のべき乗則発散をフィットさせ、状態密度への量子臨界的寄与をモデル化した。
• エントロピー収支を満たすために、超伝導状態と通常状態におけるC_el/Tの積分を一致させるようにTcを調整し、抽出された電子比熱の妥当性を検証した。
• D2H点群対称性に基づく理論的モデリングにより、可能な対称性チャンネルを制限し、点ノードを有するスピン三重粒子対称性を支持した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UTe2における比熱の残渣的T線形項は、未対応の流体に起因するのか、それとも状態密度への発散的量子臨界的寄与に起因するのか？
• RQ2 大きな残渣的比熱項が存在するにもかかわらず、零磁場下で残渣的熱伝導度が極めて小さいのはなぜか？
• RQ3 UTe2における超伝導ギャップの対称性は何か？また、スピン三重粒子対称性に一致する点ノードを支持するか？
• RQ4 通常状態と超伝導状態の間で顕在するエントロピーの不均衡は、観測された熱的および輸送的性質とどのように整合化できるか？
• RQ5 磁気浸透深度の観測された2次温度依存性はノードギャップ構造と整合するか？また、ノードの配置に何を示唆するか？

主な発見

• 零磁場下でのフェルミ粒子的残渣的熱伝導度は極めて小さく、顕著な未対応準粒子の存在や非ユニタリ対称性状態を排除した。
• 残渣的熱伝導度の磁場依存性は、急激で準線形的増加を示し、ノード準粒子の出現とWiedemann-Franz則の回復がa軸Hc2付近で観測された。
• 磁気浸透深度は、T/Tc = 0.3までT²に比例する2次温度依存性（Δλ(T) ∝ T²）を示し、これは超伝導ギャップに点ノードが存在することの特徴的兆候である。
• 低温比熱は300 mK未塔で急激な上昇を示し、T⁻¹/³のべき乗則発散でよく記述され、状態密度への量子臨界的寄与を示唆した。
• 発散的量子臨界的項を差し引いた後、超伝導状態における電子比熱はT²に比例する。これは点ノードギャップ構造と完全に整合し、エントロピー収支が完全に満たされたことを示した。
• 統合的解析により、通常状態と超伝導状態の間で完全なエントロピー収支が回復され、電子状態密度が立方乗則に従う（DOS ∝ T²）ことが確認された。これは、ab面に点ノードを有するスピン三重粒子対称性を支持する。