[論文レビュー] Spontaneously polarized half-gapped superconductivity

Sheng Ran, Chris Eckberg+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2018

Rare-earth and actinide compounds被引用数 88

ひとこと要約

本論文はUTe2における非単位性スピン三重項超伝導を報告する。半分の電子がギャップされていないスピン偏極超伝導状態、極めて大きく各方向に異方性を持つHc2、そしてTc以下で一定を保つKnight shiftによって示されるスピン三重項結合を特徴とする。

ABSTRACT

Nonunitary superconductivity is a rare and striking phenomenon in which spin up and spin down electrons segregate into two different quantum condensates. Because they support topological excitations, such superconductors are being seriously considered for potential quantum information applications. We report the discovery of nonunitary spin-triplet superconductivity in UTe2, featuring the high transition temperature of 1.6 K and a remarkably large and anisotropic upper critical field exceeding 40 T. In this unusual superconducting state, electrons with parallel spins pair, yet only half of the available electrons participate, yielding a spin-polarized condensate that coexists with a spin-polarized metal. The superconducting order parameter, which breaks both gauge and time reversal symmetries, arises from strong ferromagnetic fluctuations, placing UTe2 as the paramagnetic end member of the ferromagnetic superconductor series. This discovery yields a new platform for encoding information using topological excitations and for manipulation of spinpolarized currents.

研究の動機と目的

• 常磁性系における非単位性三重項超伝導と自発的時間反転対称性破れを探索する動機付け。
• UTe2が電子状態の半分がギャップしていないスピン偏極超伝導状態を有することを実証する。
• 鉄磁気ゆらぎにより媒介される三重項結合を確立するため、超伝導状態とノーマル状態の性質を特徴づける。

提案手法

• 単結晶UTe2を合成し、X線および中性子結晶構造解析で構造を特徴づける。
• 超伝導およびノーマル状態の性質を探るために、電気伝導率、磁化、比熱、および核磁気共鳴（125Te Knight shift）を測定する。
• 三つの結晶軸に沿った上臨界場Hc2を解析し、軌道限界およびスピン限界と比較する。
• 磁化のスケーリング解析（Belitz-Kirkpatrick-Vojta理論）を用いて、量子臨界鉄磁気ゆらぎを明らかにする。
• データを解釈して、不等ギャップを持つ2成分の非単位性トリプレット秩序パラメータと内在的なスピン偏極を推測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UTe2は外部磁気秩序なしに自発的な非単位性スピン三重項超伝導を有するか。
• RQ2 超伝導状態は不等な大きさの2つのギャップ（半ギャップ）と内在的なスピン偏極を特徴とするか。
• RQ3 Hc2の挙動とスケーリング解析に示唆されるように、鉄磁性スピンゆらぎが対を媒介するか。
• RQ4 Knight shiftはTc以下で一定のままであり、スピン三重項結合と一致するか。
• RQ5 ノーマル状態の性質（量子臨界鉄磁性、ヘビーFermi液体挙動）が超伝導状態とどのように関連するか。

主な発見

• Tc = 1.6 K、b軸に沿って40 Tを超える高度に異方的な上臨界場Hc2。
• Hc2は軌道限界およびパラ磁性限界の両方を大きく上回り、特にb軸方向で顕著で、スピン三重項結合を示唆する。
• 残存電子状態密度は大きい（gamma0 = 55 mJ/mol-K^2）、半分の電子がギャップを受けていないことを示唆。
• C(T) below Tc follows a power law (n ≈ 3.2), indicating point nodes compatible with nonunitary pairing.
• 125Te NMR Knight shiftはTcを通して温度に依存せず、スピン三重項結合を支持する。
• 磁化データはBelitz-Kirkpatrick-Vojta量子臨界鉄磁性に一致するスケーリングを示し、鉄磁気ゆらぎによって対が媒介されることを示唆する。
• 観測と整合する最も単純な結合対称性は、二つのスピンチャネルで不等なギャップを持つ非単位性トリプレット状態であり、スピン偏極した超伝導凝縮相を生じる。