[論文レビュー] Stability of a Nonunitary Triplet Pairing on the Border of Magnetism in UTe$_2$

Andriy H. Nevidomskyy|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2020

Rare-earth and actinide compounds被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、長距離磁気秩序が存在しないにもかかわらず、強磁性の量子臨界点付近におけるUTe₂において、結晶学的a軸に沿った点状ノードを有する非ユニタリな三重対超伝導状態が安定化されることを提案する。対称性解析、BCS理論、f電子を除いた最初原理DFT計算を用いて、著者らは、この状態がSTM観測のねじれエッジモード、高磁場下での再入的超伝導、および非ゼロの磁気光学Kerr効果を説明できることを示し、熱輸送データと整合するノード構造を持つことを明らかにする。

ABSTRACT

Motivated by the recent discovery of superconductivity in UTe$_2$, we analyze the stability and nodal structure of various triplet superconducting order parameters. Using a combination of symmetry group-theoretical analysis, phenomenological Landau free energy and weak-coupling BCS theory, we show that chiral nonunitary superconducting order can be stabilized on the border of ferromagnetism in UTe$_2$, even in the absence of long-range magnetic order. We further perform first principles density functional theory (DFT) calculations of the so-called "small" Fermi surface, excluding the contribution of U $f$-electrons, and find it to be in excellent agreement with the recent angular resolved photoemission study and DFT+DMFT calculations. This permits us to elucidate the nodal structure of the superconducting gap, which we find generically to possess point nodes along the crystallographic $a$ direction, in agreement with experiments. The topological stability of these point nodes and their associated Majorana surface states is analyzed. The nonunitary structure of the predicted superconducting state supports chiral edge modes observed in recent scanning tunneling microscopy (STM) data and is predicted to result in a non-vanishing magneto-optical Kerr effect.

研究の動機と目的

• UTe₂における時間反転対称性の破れの観測と、D₂h点群対称性に起因するユニタリ対称性の期待との間の矛盾を解消すること。
• 特に長距離磁気秩序が存在しない状況においても、超伝導と強磁性に近い状態の共存を説明すること。
• DFT計算（絶縁体的）と実験的金属的挙動（金属的）との不一致を、f電子を除いた「小さな」フェルミ面を分析することで解消すること。
• 最近のSTMおよび熱輸送測定と整合する超伝導ギャップのノード構造とそのトポロジカル安定性を特定すること。
• 非ユニタリ状態の測定可能な実験的シグナル、特に非ゼロの磁気光学Kerr効果およびねじれエッジモードを予測すること。

提案手法

• D₂h点群における不変表現の群論的解析を実施し、可能な超伝導秩序パラメータを評価する。
• 現象論的Landau自由エネルギー理論を用いて、強磁性量子臨界点付近における非ユニタリ三重対称性の安定性を評価する。
• 弱結合BCS理論を用いて、スピン軌道結合とねじれ対称性を組み込んだ超伝導ギャップのdベクトル構造をモデル化する。
• Uのf電子寄与を除いた「小さな」フェルミ面の最初原理DFT計算を実施し、実験的フェルミ面マップに一致させる。
• 得られたフェルミ面をARPESおよびDFT+DMFTデータと比較し、モデルの妥当性を検証する。
• dベクトル形式Δ(k) = i(dₖ·σ)σ₂を用いてギャップのノード構造とトポロジカル安定性を解析し、磁場下における軌道モーメント応答を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 D₂h点群が一様次元表現に制限する中で、UTe₂において非ユニタリな三重超伝導状態が安定化可能か？
• RQ2 長距離秩序が存在しないにもかかわらず、強磁性に近い状態が時間反転対称性を破る超伝導状態をどのように安定化するか？
• RQ3 超伝導ギャップのノード構造は何か？ また、熱伝導率および浸透率の温度依存性がべき乗則に従うという観測結果とどのように整合するか？
• RQ4 なぜDFT計算は絶縁体的状態を予測するのに対し、実験では金属的挙動が観測されるのか？ これをどのように解消できるか？
• RQ5 予測された非ユニタリ対称性から生じる測定可能な実験的シグナル（磁気光学Kerr効果やねじれエッジモードなど）は何か？

主な発見

• 強磁性量子臨界点付近のUTe₂において、長距離磁気秩序が存在しない状況でも、ねじれ非ユニタリ三重超伝導状態がエネルギー的に好ましい。
• 超伝導ギャップは結晶学的a軸に沿って点状ノードを有し、熱伝導率および浸透率のべき乗則的温度依存性と整合する。
• f電子寄与を除いた「小さな」フェルミ面は、ARPESおよびDFT+DMFT結果と良好に一致し、モデルの妥当性を裏付ける。
• 非ユニタリ状態はトポロジカル的に保護されたマヨラナ表面状態およびねじれエッジ電流を支持し、最近のSTM観測によるねじれエッジモードと整合する。
• この状態は時間反転対称性を破り、非ゼロの磁気光学Kerr効果を生じさせ、直接的な実験的シグナルを提供する。
• 高磁場はコープスペアの軌道モーメントを偏極させることで、非ユニタリ状態を安定化させ、高磁場下での再入的超伝導を説明する。