[論文レビュー] Triplet pairing mechanisms from Hund's-Kondo models: applications to UTe$_{2}$ and CeRh$_{2}$As$_{2}$

Tamaghna Hazra, Piers Coleman|arXiv (Cornell University)|May 26, 2022

Rare-earth and actinide compounds被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、UTe₂ や CeRh₂As₂ などの重フェルミオン超伝導体において、2チャネル Kondo格子模型における Hund の結合と Kondo 筛査の相乗効果によって駆動される、新しい三重項ペアリング機構を提案する。この機構により、反対称性に起因するサブラット奇数型因子を介して、原子スケールの三重項ペアが一様なフェルミ面超伝導状態へと拡散化され、反転中心を取り囲む磁性イオンの対称的配置を持つ材料におけるスピン三重項超伝導の出現が説明される。

ABSTRACT

Observing that several U and Ce based candidate triplet superconductors share a common structural motif, with pairs of magnetic atoms separated by an inversion center, we hypothesize a triplet pairing mechanism based on an interplay of Hund's and Kondo interactions that is unique to this structure. In the presence of Hund's interactions, valence fluctuations generate a triplet superexchange between electrons and local moments. The offset from the center of symmetry allows spin-triplet pairs formed by the resulting Kondo effect to delocalize onto the Fermi surface, precipitating superconductivity. We demonstrate this mechanism within a minimal two-channel Kondo lattice model and present support for this pairing mechanism from existing experiments.

研究の動機と目的

• U および Ce を中心とする重フェルミオン材料におけるスピン三重項超伝導の起源を、磁性イオンが反転中心を挟んで配置された共通の構造的モチーフを持つことと関連づけて説明すること。
• Hund の結合が電子と局所的スピンモーメントの間で三重項スピン交換を誘導し、事前に形成された三重項ペアが一様な超伝導状態へと拡散化されることを示すこと。
• 反転対称性によって可能となるサブラット奇数型のペア波動関数の形因子が、局在的三重項ペアとフェルミ面のコープァー対との間で一様な結合を可能にすることを示すこと。
• Kondo 筛査とペアリングを独立に扱う従来の理論とは対照的に、Kondo 混合が三重項ペアリングを媒介する役割を果たすことを強調すること。
• 実験的に検出可能なシグネチャーを提示すること。具体的には、転移温度 Tc における顕著な価数変化と、サブラット奇数型のジョセフソン干渉パターンを想定する。

提案手法

• Hund の結合と Kondo 篩査の効果を捉えるために、2つの異なる f 軌道チャネル（Γ₁ と Γ₂）を有する最小限の2チャネル Kondo 格子模型を定式化する。
• 仮想価数フラクチュエーション（f¹ ⇌ f² + e⁻）を統合するために、Schrieffer-Wolff 変換を適用し、三重項スピン構造を持つ有効 Kondo 相互作用を生成する。
• 有効 Kondo ハミルトニアンを導出し、三重項成分が Hund の結合と結晶場分裂によって誘起される f² 構造のもつれに起因することを示す。
• 得られたペアリング対称性を解析し、ペア潜在力が pₖᶻ = 0 で線状ノードを示し、d ベクトルが y 軸に沿っていることを示し、実験的観測と整合する。
• 対称性解析により、ペア波動関数のサブラット奇数型因子が、局在的三重項ペアとフェルミ面の奇数パリティコープァー対との間で一様な結合を可能にすることを示す。
• 実験的に検証可能な予測を提示する：Tc における f 価数の連続的変化（第2チャネル Kondo 混合に起因）、およびスキャンジョセフソン干渉計による検出可能なサブラット奇数型干渉パターン。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 f 電子系における Hund の結合は、どのように伝導電子と局所的スピンモーメントの間で三重項スピン交換を生成するか？
• RQ2 U および Ce シリーズの既知の候補三重項超伝導体が、磁性イオンが反転対称性を持つペアとして配置された共通の構造的モチーフを共有する理由は何か？
• RQ3 Kondo 混合は、事前に形成された原子スケールの三重項ペアがマクロな超伝導凝集体へと拡散化されるのをどのように駆動するか？
• RQ4 UTe₂ における観測された線状ノードギャップ構造は、pₖᶻ 形因子とスピン軌道結合を含むスピン三重項ペアリング機構とどのように整合するか？
• RQ5 どのような実験的プローブが、この Hund-Kondo ペアリング機構と、サイト間磁気的交換やバンド異方性に基づく理論とを区別できるか？

主な発見

• 2つの磁性イオンの間に反転中心が存在することで、ペア波動関数にサブラット奇数型の形因子が可能となり、局在的三重項ペアとフェルミ面コープァー対との間で一様な結合が可能になる。
• Hund の結合が、仮想価数フラクチュエーションを介して、伝導電子と局所的スピンモーメントの間で三重項スピン交換相互作用を生成し、有効 Kondo ハミルトニアンに反映される。
• モデルは、pₖᶻ = 0 で線状ノードを示し、d ベクトルが y 軸に沿ったペア潜在力の予測を行う。これは UTe₂ における観測されたギャップ構造と整合する。
• スピン軌道結合は二次的なオーダーパラメータ（例：dₖ ∝ pₖʸẑ）を誘導し、pₖʸ = 0 で点状ノードを生じる。これにより、UTe₂ における観測された点状ノードが、主として線状ノードギャップと整合する。
• 超伝導転移温度 Tc は Kondo 温度 TK と同等のオーダーであり、Kondo 篩査が単なる付随的効果ではなく、ペアリングの主要駆動要因であることを示唆する。Fano 線形のトンネル特性と、UTe₂ や CeRh₂As₂ における抵抗率の最大値がこれを裏付ける。
• この機構は、実験的に検出可能なシグネチャーを予測する：第2チャネル Kondo 混合に起因する Tc における f 価数の連続的変化、およびスキャンジョセフソン干渉計による検出可能なサブラット奇数型干渉パターン。