[論文レビュー] Texture in the Superconducting Order Parameter of CeCoIn_5 Revealed by Nuclear Magnetic Resonance

Kakuyanagi, K., Saito, M.+5 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2004

Rare-earth and actinide compounds被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、115In核スピン共鳴(NMR)を用いて、重いフェルミオン超伝導体CeCoIn5におけるFulde-Ferrel-Larkin-Ovchinnikov(FFLO)状態の最初の微視的証拠を提示する。T*(H)未満では、より高い周波数に新たなNMR共鳴線が出現し、空間的に周期的な超伝導秩序パラメータと局在化した準粒子状態を示しており、そのスペクトルの進化は、温度に伴い減少する周期を持つ振動する秩序パラメータ波長を特徴とするFFLO状態と整合的である。

ABSTRACT

We present a ^{115}In NMR study of the quasi two-dimensional heavy-fermion superconductor CeCoIn_5 believed to host a Fulde-Ferrel-Larkin-Ovchinnkov (FFLO) state. In the vicinity of the upper critical field and with a magnetic field applied parallel to the ab-plane, the NMR spectrum exhibits a dramatic change below T*(H) which well coincides with the position of reported anomalies in specific heat and ultrasound velocity. We argue that our results provide the first microscopic evidence for the occurrence of a spatially modulated superconducting order parameter expected in a FFLO state. The NMR spectrum also implies an anomalous electronic structure of vortex cores.

研究の動機と目的

• 高磁場下におけるCeCoIn5における空間的に不均一な超伝導状態の存在を直接微視的に証明すること。
• 特にHc2∥abに近い高磁場超伝導相における準粒子励起スペクトルを、T*(H)未満の領域に焦点を当てて調査すること。
• 観測されたNMRスペクトルの変化が、提案されたFFLO状態およびストリングコアの異常と相関しているかどうかを特定すること。
• CeCoIn5のストリングコアの電子構造を、常識的超伝導体と対比させながら調べること。

提案手法

• ab面に平行な磁場を印加した単結晶CeCoIn5における115In NMR測定を実施し、Hc2∥abに近い領域を対象とした。
• Hc2∥abにわずかに下回る磁場で、超伝導状態における温度依存的NMRスペクトルを測定し、T*(H)未満の領域に注目した。
• 空間的に周期的な秩序パラメータ（q ∼ 2μBH/ℏvF）を有するd波超伝導体の理論モデルを用いてNMRスペクトルをシミュレートした。
• 不均一性効果を反映するローレンツ型の幅を含む式を用いて、実験的NMRスペクトルをフィッティングし、整合長とモード波数の比（Λ/λ）およびT/Δ0をパラメータとした。
• Knightシフトおよびライン形状の分析を通じて、超伝導状態における準粒子密度および空間的不均一性を推定した。
• スペクトル特徴をFFLO状態および常識的超伝導体の予測と比較し、ストリングコア構造における乖離を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Hc2∥abに近い領域におけるCeCoIn5のNMRスペクトルは、FFLO状態が予測する空間的に周期的な超伝導秩序パラメータの兆候を示しているか？
• RQ2 T*(H)未満の高磁場超伝導相における準粒子励起の性質は何か？また、常識的超伝導体とはどのように異なるか？
• RQ3 NMRライン形状およびKnightシフトに基づくと、CeCoIn5のストリングコア構造は常識的超伝導体とどのように異なるか？
• RQ4 温度に伴うスペクトルの進化は、d波超伝導体における理論的期待と一致するか？
• RQ5 強い電子相関および反強磁性揺らぎは、ストリングコアおよび準粒子スペクトルの形成に果たす役割は何か？

主な発見

• T*(H)未満では、より高い周波数に新たなNMR共鳴線が出現し、超伝導状態内に正常状態に類似した準粒子領域が形成されていることを示している。
• 温度に伴うNMRスペクトルの進化は、波数q ∼ 2μBH/ℏvFの空間的周期的秩序パラメータを仮定したモデルによってよく再現されており、これはFFLO状態と整合的である。
• 整合長とモード波数の比Λ/λは、240 mKで4.7から260 mKで7.5に増加し、温度低下に伴い秩序パラメータの振動周期が短くなることを示している。
• 高周波数NMR線の強度から、新たに形成された正常準粒子シートが体積の数パーセント程度にしか占めていないことが示され、空間的局在化が示唆される。
• 二つの明確に分離したNMRラインは、平面ノード付近の準粒子励起が空間的に局在化していることを示しており、正弦波的振動ではなく、Bloch壁的または長方形的な空間的依存性を示す秩序パラメータの変動を示唆している。
• ストリングコア構造は異常である：コア内部のKnightシフトは通常状態の値から逸脱しており、常識的超伝導体とは異なる電子状態を示しており、強い反強磁性相関および準粒子状態密度の低下が原因である可能性がある。