[論文レビュー] Weyl Superconductivity in UTe2

Ian Hayes, Di Wei+10 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2020

Rare-earth and actinide compounds被引用数 20

ひとこと要約

本論文は、UTe₂が時間反転対称性を破る二成分の超伝導秩序パラメータを有するウェイル超伝導体であり、ねじれフェルミアーク表面状態を宿すことを実験的に裏付けている。極性ケラ効果および比熱測定に基づくこの発見により、ウェイル点を有する非ユニタリスピン三重項対称状態が確認され、UTe₂は量子計算のためのトポロジカルなプラットフォームとして位置づけられる。

ABSTRACT

The search for a material platform for topological quantum computation has recently focused on unconventional superconductors. Such material systems, where the superconducting order parameter breaks a symmetry of the crystal point group, are capable of hosting novel phenomena, including emergent Majorana quasiparticles. Unique among unconventional superconductors is the recently discovered UTe2, where spin-triplet superconductivity emerges from a paramagnetic normal state. Although UTe2 could be considered a relative of a family of known ferromagnetic superconductors, the unique crystal structure of this material and experimentally suggested zero Curie temperature pose a great challenge to determining the symmetries, magnetism, and topology underlying the superconducting state. These emergent properties will determine the utility of UTe2 for future spintronics and quantum information applications. Here, we report observations of a non-zero polar Kerr effect and of two transitions in the specific heat upon entering the superconducting state, which together show that the superconductivity in UTe2 is characterized by an order parameter with two components that breaks time reversal symmetry. These data allow us to place firm constraints on the symmetries of the order parameter, which strongly suggest that UTe2 is a Weyl superconductor that hosts chiral Fermi arc surface states.

研究の動機と目的

• UTe₂における超伝導状態の対称性およびトポロジーを特定すること。これは、トポロジカル量子計算の候補である。
• 正方晶 $D_{2h}$ 点群を有するにもかかわらず、時間反転対称性が破れているかどうかという長年の疑問を解消すること。
• 材料の非単純超伝導挙動（高場再発現超伝導およびねじれ表面状態を含む）を説明する秩序パラメータの構造を同定すること。
• 観測された非ユニタリス超伝導状態と超伝導ギャップ構造内でのウェイルフェルミオンの出現との間に相関関係を確立すること。
• ペアリング対称性に関する実験的制約を提供し、トポロジカルに保護された表面状態を有するウェイル超伝導相を支持すること。

提案手法

• Sagnac干渉計を用いた極性ケラ効果測定により、超伝導状態における時間反転対称性の破れ（TRSB）を光学的活性性によって検出する。
• 二重超伝導転移を特定するための比熱測定。
• $D_{2h}$ 点群の対称性解析により、可能な秩序パラメータを分類し、特に $B_{2u}+iB_{3u}$ および $A_u+iB_{1u}$ 表現に注目する。
• 対称性に許容される $̄{d}$-ベクトルのギャップ構造の理論的モデリング。$f_{x,i}, f_{y,i}, f_{z,i}, f_{u,i}$ 関数はそれぞれ $k_x, k_y, k_z, k_xk_yk_z$ の対称性に一致する。
• 鏡面平面（$k_x=0$, $k_y=0$）の解析により、$̄{d}_{B2u} \cdot \u0304{d}_{B3u} = 0$ かつ $|\u0304{d}_{B2u}| = |\u0304{d}_{B3u}|$ である場合、フェルミ表面トポロジーが円形であればウェイル点が生じることを示す。
• ARPESデータによりZ点付近の $f$-電子由来のフェルミ表面が示唆され、$k_x=0$ および $k_y=0$ 平面におけるウェイル点の存在を支持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正方晶 $D_{2h}$ 点群を有するにもかかわらず、UTe₂における時間反転対称性の破れは生じるのか？（通常、一成分秩序パラメータしか支持しない。）
• RQ2 高臨界場および再発現超伝導を示すという非単純な性質を考慮すると、UTe₂における超伝導秩序パラメータの対称性および構造は何か？
• RQ3 比熱測定で観測された二つの明確な超伝導転移は、二成分秩序パラメータによって説明可能であるか？そしてこれはペアリング状態にどのような意味を持つのか？
• RQ4 非ゼロの極性ケラ効果および比熱の異常は、トポロジカルに保護されたフェルミアーク表面状態を有するウェイル超伝導状態を示唆するのか？
• RQ5 ギャップ関数の運動量空間的構造は何か？そして、これは超伝導状態内でのウェイル点の形成を支持するのか？

主な発見

• UTe₂において $T_c = 1.6$ K 未満で非ゼロの極性ケラ効果が観測され、超伝導状態における時間反転対称性の破れを直接的証明した。
• 比熱測定で二つの明確な転移が特定され、異なる転移温度を持つ二成分超伝導秩序パラメータを示した。
• 統合されたデータにより、秩序パラメータは $B_{2u}+iB_{3u}$ および $A_u+iB_{1u}$ の二つの候補に強く制限され、両者ともウェイル超伝導を支持する。
• 理論的解析により、$B_{2u}+iB_{3u}$ 状態は、フェルミ表面トポロジーが円形であれば、$k_x=0$ および $k_y=0$ の鏡面平面に少なくとも4つのウェイル点を支持することが示された。
• 非ユニタリス性を示す超伝導状態と、常温状態での逆転対称性およびTRSBの不在を組み合わせると、強磁性フラクチュエーションによるペアリングが示唆される。
• ウェイル点およびねじれフェルミアーク表面状態の存在は、走査トンネル顕微鏡（STM）実験で観測されたねじれ表面状態の自然な説明を提供する。