[論文レビュー] Single-Component Superconductivity in UTe$_2$ at Ambient Pressure

Florian Theuss, Avi Shragai+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2023

High-pressure geophysics and materialsEarth and Planetary Sciences参考文献 50被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、脈動エコー超音波を用いてUTe₂の弾性率を測定し、単一および二重転移の両方の試料において、Tcを越えて剪断率に熱力学的不連続性が認められないことを示した。剪断率の異常がないことは、単一成分の超伝導秩序パラメータを直接示す実験的証拠であり、多成分モデルとは対照的に、B₂u奇パリティ状態を支持する。

ABSTRACT

The microscopic mechanism of Cooper pairing in a superconductor leaves its fingerprint on the symmetry of the order parameter. UTe$_2$ has been inferred to have a multi-component order parameter that entails exotic effects like time reversal symmetry breaking. However, recent experimental observations in newer-generation samples have raised questions about this interpretation, pointing to the need for a direct experimental probe of the order parameter symmetry. Here, we use pulse-echo ultrasound to measure the elastic moduli of UTe$_2$ in samples that exhibit both one and two superconducting transitions. We demonstrate the absence of thermodynamic discontinuities in the shear elastic moduli of both single- and double-transition samples, providing direct evidence that UTe$_2$ has a single-component superconducting order parameter. We further show that superconductivity is highly sensitive to compression strain along the $a$ and $c$ axes, but insensitive to strain along the $b$ axis. This leads us to suggest a single-component, odd-parity order parameter -- specifically the B$_{2u}$ order parameter -- as most compatible with our data.

研究の動機と目的

• UTe₂における対称性の長年の論争を解決するため、特にそれが多成分または単一成分の超伝導秩序パラメータを有するかを明らかにすること。
• ひずみ依存性弾性測定を用いて、超伝導秩序パラメータの性質を直接実験的に証明すること。
• UTe₂における異なる結晶方位（a、b、c軸）に沿った一軸ひずみに対する超伝導の感受性を調査すること。
• 一部の試料で観察された二重超伝導転移が、本質的であるか、不均一性またはひずみ効果に起因するかを特定すること。

提案手法

• 温度およびひずみ条件を変化させた状態で、UTe₂単結晶の弾性率を脈動エコー超音波で測定した。
• 超伝導転移温度Tcを越えて剪断および縦波弾性率の変化を測定し、多成分対称性に起因する熱力学的不連続性を検出する。
• 結晶のa、b、c軸に沿った一軸ひずみを加え、超伝導の異方的応答を調べた。
• 対称性解析と群論を用いて、節構造および運動量依存性に基づく可能な奇パリティ秩序パラメータ（Aᵤ、B₁ᵤ、B₂ᵤ、B₃ᵤ）を分類した。
• 実験的ひずみおよび弾性率応答を、単一成分対比多成分超伝導体の理論的予測と比較した。
• 量子振動データおよび密度汎関数理論（DFT）計算と照合し、フェルミ面トポロジーとギャップ対称性を検証した。

Figure 1: The influence of strain on one- and two-component superconductors. Panel (a) illustrates how two representative order parameters—single-component $s$ -wave and two-component $p_{x}+ip_{y}$ —respond to both compression and shear strain. Both gaps respond under compression (whether increasin

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UTe₂における超伝導秩序パラメータは、ひずみに対する弾性応答から単一成分か多成分かの性質を示すか？
• RQ2 多成分超伝導体に予測される剪断弾性率の熱力学的不連続性は、UTe₂のTcを越えて観察されるか？
• RQ3 UTe₂における超伝導は、結晶のa、b、c軸に沿った一軸ひずみに対してどのように応答するか？
• RQ4 弾性およびひずみ応答に基づいて、UTe₂における超伝導ギャップ対称性を最もよく説明する奇パリティ不変部分表現（例：B₂ᵤ）は何か？
• RQ5 一部の試料に観察された二重超伝導転移は、本質的な多成分対称性の証拠であるか、外部要因による不均一性に起因するか？

主な発見

• 単一および二重転移の両方のUTe₂試料において、Tcを越えて剪断弾性率に熱力学的不連続性は観察されず、二成分秩序パラメータの可能性が除外された。
• UTe₂における超伝導転移は、a軸およびc軸に沿った圧縮ひずみに対して非常に感受性が高く、b軸に沿ったひずみに対しては感受性がなかった。
• 観察されたひずみおよび弾性率応答は、単一成分の奇パリティ超伝導秩序パラメータ、特にB₂ᵤチャネルと整合的である。
• B₂ᵤ秩序パラメータはフェルミ面で完全ギャップを示し、k_y方向にのみ点状の節を持つ。これは観察された節構造と一致する。
• 剪断率の異常がないことは、p_x + ip_yのような多成分超伝導体の予測と矛盾し、より単純な対称性状態を支持する。
• 本結果により、初期のデータ解釈の矛盾を解消し、一部の試料で観察された二重転移が本質的な多成分対称性の証拠ではなく、不均一性またはひずみ効果に起因する可能性があることが示された。

Figure 2: Relative change in elastic moduli through $T_{\rm c}$ for single- $T_{\rm c}$ UTe 2 . A compressional elastic modulus, $c_{33}$ , shows a sharp discontinuity of approximately 40 parts per million at $T_{\rm c}$ , as expected for all superconductors. In contrast, the shear elastic moduli— $