[論文レビュー] Time reversal symmetry breaking superconductors

K. I. Wysokiński|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2019

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、時間反転対称性（TRS）破れ超伝導体をレビューし、Sr2RuO4をチャーミカル p 波超伝導体の代表例として焦点を当てる。内在的ケラ効果のマルチオビタル機構を提示し、スピン軌道結合を有するマルチバンド系におけるこの効果の普遍的起源を明らかにし、実験的観察を説明するとともに、他の非単純超伝導体へも拡張可能であることを示す。

ABSTRACT

The paper reviews recent work on time reversal symmetry (TRS) breaking superconductors. The family of TRS breaking superconductors is growing relatively fast, with many of its newly discovered members being non-centrosymmetric. However, many of the superconductors which possess center of inversion also break TRS. The TRS is often identified by means of the muon spin relaxation effect ($\mu$SR) or/and the Kerr effect. Both methods effectively measure the spontaneous appearance of the bulk magnetic field below superconducting transition temperature. One of the systems most carefully studied so far is Sr$_2$RuO$_4$ believed to be spin triplet chiral p-wave superconductor. This compound provides an example of the material whose many band, multi-condensate modelling has enjoyed a number of successes. We discuss in some details the properties of the material. Among them is the polar Kerr effect, which understanding has resulted in the discovery of the novel mechanism of the phenomenon. The mechanism is universal and thus applicable to all systems with multiorbital character of states at the Fermi energy.

研究の動機と目的

• 時間反転対称性（TRS）破れ超伝導体、特に非単純対称性ペアリングを有する系における最近の実験的・理論的進展をレビューすること。
• ミュオンスピンリダクション（µSR）および極性ケラ効果によるTRS破れの検出を説明し、Tc未満で自発的体積磁場が観測されることを示すこと。
• Sr2RuO4における極性ケラ効果の詳細な理論的枠組みを提示し、そのマルチオビタルおよびマルチバンド電子構造に焦点を当てる。
• マルチオビタル系における内在的ケラ効果の普遍的メカニズムを確立し、Sr2RuO4を超える応用を可能とすること。
• 観測されたケラ効果とチャーミカル p 波ペアリング状態、およびそのトポロジカル性質（例えばマヨラナフェルミオンの実現可能性）を結びつけること。

提案手法

• TRS破れを示す自発的磁場の検出に、ミュオンスピンリダクション（µSR）および極性ケラ効果測定を用いる。
• スピン軌道結合を組み込んだ、Sr2RuO4の電子構造を記述するマルチバンド・マルチオビタルタイトビンディングモデルを適用する。
• 線形応答理論を用いて、スピン軌道結合とチャーミカル p 波ペアリングの相互作用から内在的ケラ効果を導出する。
• マルチバンド超伝導体における電磁気的応答を分析し、不純物に依存しないケラ回転の新しいメカニズムを同定する。
• チャーミカル超伝導体における非ゼロの横方向ホール電導度の生成に、軌道自由度およびスピン自由度の役割を検討する。
• 理論的予測を、Sr2RuO4、UPt3、その他の系からの実験データと比較し、提案されたメカニズムの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sr2RuO4における内在的極性ケラ効果の起源は何か？ また、不純物由来の寄与とはどのように異なるか？
• RQ2 Sr2RuO4のフェルミ表面におけるマルチオビタル特性は、チャーミカル超伝導体におけるケラ効果の普遍的メカニズムをどのように可能にするか？
• RQ3 スピン軌道結合は、非対称中心および対称中心を持つTRS破れ超伝導体において、ケラ効果の出現をどの程度媒介するか？
• RQ4 Sr2RuO4における観測されたケラ信号は、ドメイン壁や不純物といった外的要因を仮定せずに説明可能か？
• RQ5 このメカニズムは、他の非単純超伝導体におけるチャーミカルペアリングの検出にどのような意味を持つか？

主な発見

• Sr2RuO4における内在的極性ケラ効果は、フェルミ準位における電子状態のマルチオビタル性がスピン軌道結合を介して媒介される。
• 不純物に依存しない、新しい普遍的メカニズムが特定され、チャーミカル px±ipy 超伝導体における回折的歪み散乱に類似した挙動に基づく。
• Sr2RuO4におけるケラ信号は不純物に強く依存せず、内在的チャーミカルペアリング状態および軌道的テクスチャに起因する。
• 理論的モデリングにより、ケラ回転がチャーミカルペアリング振幅およびスピン軌道結合強度に直接比例することが確認された。
• このメカニズムは、Sr2RuO4における実験的観察を説明でき、UPt3 や URu2Si2 などの他の系へも拡張可能であり、広範な適用可能性を示唆する。
• マルチバンドモデルは、ケラ効果の観測された異方性および温度依存性をうまく説明でき、チャーミカル p 波ペアリング状態の支持となる。