[論文レビュー] The fate of time-reversal symmetry breaking in UTe2

M. O. Ajeesh, M M Bordelon+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2023

Rare-earth and actinide compounds被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、化学蒸発法（CVT）および溶融塩フラックス法（MSF）を用いて成長した高品質な単結晶を用いて、超伝導体U_Te₂における時間反転対称性の破れを偏光ケラーモード（PKE）測定によって調査した。先行研究では磁場に依存するケラーモード信号の証拠が示されたが、本研究ではゼロ磁場下で自発的ケラーローションを観測できず、超伝導状態が時間反転対称性を内因的に破っていないことを示した。代わりに、観測された磁場に依存する信号は、不均一な磁性領域に起因しており、超伝導オーダーパラメータはキラルでない、多成分状態であり、空間的に変化する対称性の破れを示していることが制限される。

ABSTRACT

Topological superconductivity is a long-sought state of matter in bulk materials, and odd-parity superconductor UTe$_2$ is a prime candidate. The recent observation of a field-trainable spontaneous Kerr signal in UTe$_2$ at the onset of superconductivity provides strong evidence that the superconducting order parameter is multicomponent and breaks time-reversal symmetry. Here, we perform Kerr effect measurements on a number of UTe$_2$ samples -- grown $via$ both chemical vapor transport and the molten-salt-flux methods -- that show a single superconducting transition between 1.6~K and 2.1~K. Our results show no evidence for a spontaneous Kerr signal in zero field measurements. This implies that the superconducting state of UTe$_2$ does not intrinsically break time-reversal symmetry. Instead, we observe a field-trainable signal that varies in magnitude between samples and between different locations on a single sample, which is a sign of inhomogeneous magnetic regions. Our results provide an examination of representative UTe$_2$ samples and place strong constraints on the superconducting order parameter of UTe$_2$.

研究の動機と目的

• 高品質な単結晶におけるU_Te₂の超伝導状態が時間反転対称性を内因的に破るかどうかを特定すること。
• 単一の超伝導転移と二重の超伝導転移を示すサンプルとの間で矛盾する報告を解消すること、特に自発的ケラーモード効果に関して。
• サンプルの不均一性および磁性の不均一性が磁場に依存するケラーモード信号を生成する役割を調査すること。
• ゼロ磁場および磁場冷却PKE測定を用いて、U_Te₂における超伝導オーダーパラメータの対称性を制限すること。

提案手法

• 1550 nmの波長を用いたファイバー式ゼロ面積サニャック干渉計を用いて、偏光ケラーモード（PKE）測定を実施した。
• 熱パulses実験を用いて、T_c未満での自発的PKEの発現を調査した。具体的には、一時的にT_cを超えて加熱し、冷却過程でのケラーローションを測定した。
• 磁場冷却・ゼロ磁場再加熱PKE測定を実施し、冷却時に磁場を印加し、その後加熱中に磁場をゼロに戻すことで、磁場に依存するケラーモード効果を調査した。
• サンプルは断熱的磁化冷却器を用いて基底温度まで冷却され、四端子抵抗率測定によりT_cおよび残留抵抗比（RRR）を決定した。
• 仕上げ面およびそのままの表面での光学測定を実施し、表面効果を評価したが、顕著な差は観測されなかった。
• 残留磁場（±5 Oe未満）の補正のため、ケラーデータからわずかなオフセットを差し引いた。これはT_cを超えた領域での既知の磁場-ケラーレスポンスにより確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間反転対称性の破れが内因的であることを示すために、ゼロ磁場下で自発的ケラーローションが観測されるか？
• RQ2 先行研究で観測された磁場に依存するケラーモード信号は、内因的キラル超伝導性に起因するのか、それとも外因的不均一性に起因するのか？
• RQ3 成長法（CVT対MSF）およびサンプル品質（例：RRR、T_c）がケラーモード信号の有無および大きさに与える影響は何か？
• RQ4 ミュオンスピンラピス法で検出された不均一な磁性領域は、U_Te₂における観測されたケラーレスポンスとどの程度相関しているか？
• RQ5 U_Te₂における超伝導オーダーパラメータは真に多成分かつキラル的であるのか、それとも空間的に変化する対称性の破れの結果にすぎないのか？

主な発見

• すべてのU_Te₂サンプルにおいて、ゼロ磁場PKE測定で自発的ケラーローションは観測されず、超伝導状態が時間反転対称性を内因的に破っていないことを示した。
• 磁場に依存するケラーモード信号は観測されたが、その大きさはサンプル間および同一サンプル内の異なる位置で顕著に異なり、空間的な不均一性を示した。
• 磁場に依存する信号は、一様なキラル超伝導オーダーパラメータではなく、不均一な磁性領域に起因するとされた。
• 溶融塩フラックス法（MSF）で成長させたサンプルは、高い品質（RRR 400–1000）を示し、1.6 Kから2.1 Kの範囲で単一の超伝導転移を示したが、依然として自発的ケラーモード効果は観測されなかった。
• 高品質で単一転移を示すサンプルにおいても自発的ケラーモード信号が観測されないことは、先行研究の結果が内因的キラル超伝導性の証拠であると解釈するのを強く疑わせる。
• 本結果は超伝導オーダーパラメータに強い制限を課し、B_3u + iB_2u状態ではないと示唆している。代わりに、キラルでない多成分状態であり、空間的に変化する対称性の破れを示していると考えられる。