[論文レビュー] Visualizing the melting of the charge density wave in UTe2 by generation of pairs of topological defects with opposite winding

Anuva Aishwarya, Julian May-Mann+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2023

Rare-earth and actinide compounds被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、重いフェルミオン超伝導体 UTe2 における電荷密度波（CDW）の磁場誘発融解を、相反する位相巻き付きを有するトポロジカルな欠陥の対を生成することで、走査トンネル分光法を用いて可視化した。欠陥はCDW振幅の消失と相関を示し、磁場に伴い増加する。これは、超伝導とペア密度波（PDW）渦がCDW欠陥を生成するギンツブルグ＝ランダウモデルを支持しており、UTe2表面にペア密度波秩序が存在することを示唆している。

ABSTRACT

Topological defects are singularities in an ordered phase that can have a profound effect on phase transitions and serve as a window into the order parameter. In this work we use scanning tunneling microscopy to visualize the role of topological defects in the novel magnetic field induced disappearance of an intertwined charge density wave (CDW) in the heavy fermion superconductor, UTe2. By simultaneously imaging the amplitude and phase of the CDW order, we reveal pairs of topological defects with positive and negative phase winding. The pairs are directly correlated with a zero CDW amplitude and increase in number with increasing magnetic field. These observations can be captured by a Ginzburg Landau model of a uniform superconductor coexisting with a pair density wave. A magnetic field generates vortices of the superconducting and pair density wave order which can create topological defects in the CDW and induce the experimentally observed melting of the CDW at the upper critical field. Our work reveals the important role of magnetic field generated topological defects in the melting the CDW order parameter in UTe2 and provides support for the existence of a parent pair density wave order on the surface of UTe2.

研究の動機と目的

• 重いフェルミオン超伝導体 UTe2 における磁場誘発CDW消失のメカニズムを理解すること。
• トポロジカル欠陥がCDW融解転移に果たす役割を調査すること。
• 観察されたCDW融解が、共存するペア密度波（PDW）秩序からの渦によって駆動されているかどうかを特定すること。
• 相反する巻き付きを有するトポロジカル欠陥が、CDW秩序パラメータの抑制の兆候であるという仮説を検証すること。

提案手法

• 走査トンネル分光法（STM）を用いて、UTe2におけるCDW秩序の振幅と位相を同時にイメージ化した。
• 位相感受性STM測定により、正および負の位相巻き付きを有するトポロジカル欠陥を直接可視化した。
• 上臨界磁場領域全域で、欠陥密度およびCDW振幅の磁場依存性を体系的にマップした。
• 超伝導とペア密度波秩序が共存する状況を記述するため、ギンツブルグ＝ランダウモデルを適用した。渦がCDW欠陥を誘発する。
• モデルは、超伝導およびPDWチャネルにおける渦が、CDW秩序パラメータにトポロジカル欠陥を生成すると予測する。
• 欠陥の対は、CDW振幅がゼロとなる領域と相関しており、CDW融解におけるその役割を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相反する位相巻き付きを有するトポロジカル欠陥は、磁場下におけるUTe2におけるCDW融解にどのように寄与するか？
• RQ2 磁場が増加するにつれて観察される欠陥対の増加の起源は何か？
• RQ3 ギンツブルグ＝ランダウフレームワークは、共存する超伝導とペア密度波秩序における渦がCDW欠陥を生成するのを説明できるか？
• RQ4 観察されたCDW融解は、UTe2表面に存在する親ペア密度波状態と整合的か？
• RQ5 トポロジカル欠陥とCDW振幅の抑制との空間的関係は何か？

主な発見

• 位相感受性走査トンネル分光法を用いて、UTe2において相反する位相巻き付きを有するトポロジカル欠陥の対を直接可視化した。
• 欠陥対の数は磁場に伴い増加し、CDW振幅の抑制と相関した。
• 欠陥対はCDW振幅が消失する領域に空間的に局在しており、CDW融解におけるその役割を示唆した。
• 実験的観察は、超伝導とペア密度波が共存するギンツブルグ＝ランダウモデルにより定量的に再現された。
• 結果は、UTe2表面に親ペア密度波秩序が存在することを強く示唆しており、それによって超伝導渦が生成され、CDWトポロジカル欠陥を誘発することが分かった。
• 磁場誘発CDW融解は、渦駆動によるトポロジカル欠陥の生成によって駆動されており、超伝導とCDW秩序パラメータの関連を示している。