[논문 리뷰] Anomalous quasiparticle transport in the superconducting state of CeCoIn5

Y. Kasahara, Yasuyuki Nakajima외 6명|arXiv (Cornell University)|2005. 06. 03.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 CeCoIn$_5$의 초전도 상태에서 열홀름 전도도 ($\kappa_{xy}$)를 측정하여,临界온도 $T_c$ 이하에서 준입자 평균 자유경로가 급격히 증가하고, 약한 자기장에서 빠르게 억제되는 현상을 규명하였다. 결과와 척도 분석 및 밀도 상태 분석을 통합하여, $d$-파라미터 초전도 대칭을 확인하였으며, 이는 비정상적인 비오르트 효과와 함께 이상적인 초청정 상태($\varepsilon_F/\Delta \ll \ell/\xi$)에 해당함을 시사한다.

ABSTRACT

We report on a study of thermal Hall conductivity k_xy in the superconducting state of CeCoIn_5. The scaling relation and the density of states of the delocalized quasiparticles, both obtained from k_xy, are consistent with d-wave superconducting symmetry. The onset of superconductivity is accompanied by a steep increase in the thermal Hall angle, pointing to a striking enhancement in the quasiparticle mean free path. This enhancement is drastically suppressed in a very weak magnetic field. These results highlight that CeCoIn_5 is unique among superconductors. A small Fermi energy, a large superconducting gap, a short coherence length, and a long mean free path all indicate that CeCoIn_5 is clearly in the superclean regime (E_F/Delta<

연구 동기 및 목표

• CeCoIn$_5$의 초전도 상태에서 준입자 운반을 열홀름 전도도를 이용해 조사한다.
• 청정 초전도체에서 준입자 평균 자유경로와 그 자기장 의존도를 규명한다.
• 열홀름 척도 분석 및 밀도 상태 분석을 통해 CeCoIn$_5$의 초전도 갭 대칭이 $d$-파라미터임을 검증한다.
• 다른 초전도체에서 관찰되지 않는, 매우 약한 자기장에 의해 준입자 운반 특성이 극도로 민감하게 억제되는 현상의 기원을 규명한다.
• CeCoIn$_5$가 $\ell/\xi \gg \varepsilon_F/\Delta$로 정의되는 초청정 상태에 있는지 확인한다.

제안 방법

• 단일 결정에서 열전도도의 縦방향 ($\kappa_{xx}$) 및 횡방향 ($\kappa_{xy}$) 성분을 穩정상태 방법으로 측정하였으며, 열전도 방향은 [100] 방향, 자기장은 c축 방향이었다.
• 준입자 평균 자유경로 $\ell$를 추론하기 위해 열홀름 각도 $\Theta = \tan^{-1}(\kappa_{xy}/\kappa_{xx})$ 를 결정하였다.
• 저자기장 영역에서 선형적인 $H$-의존성을 이용해 $|\kappa_{xy}|/B$ 의 영구장 근사값을 추출하여 내재된 준입자 운반을 분리하였다.
• $\kappa_{xy}$ 의 $T$ 및 $H$-의존성을 분석하여, $d$-파라미터 초전도체에서 예상되는 척도 행동을 검증하였다.
• 추출된 준입자 평균 자유경로를 위상 일관성 길이 $\xi$ 와 피에르리 에너지 $\varepsilon_F$ 와 비교하여 초청정 상태의 특성을 평가하였다.
• 열홀름 전도도에서 유도된 밀도 상태를 이용해 $d$-파라미터 대칭을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CeCoIn$_5$의 열홀름 전도도 $\kappa_{xy}$ 는 $d$-파라미터 초전도 대칭에 부합하는 척도 행동을 나타내는가?
• RQ2 초전도 상태에서 준입자 평균 자유경로 $\ell$ 는 얼마이며, 온도 및 자기장에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 왜 준입자 평균 자유경로는 매우 약한 자기장에 의해 극도로 억제되는가? 이는 다른 초전도체에서는 관찰되지 않는 특성이다.
• RQ4 CeCoIn$_5$ 는 $\ell/\xi \gg \varepsilon_F/\Delta$ 로 정의되는 초청정 상태에 있는가?
• RQ5 CeCoIn$_5$ 에서 관찰된 이상적인 비오르트 핵 내 준입자 산란의 기원은 무엇인가?

주요 결과

• 열홀름 각도 $\Theta$ 는 $T_c$ 이하 약 1 K 에서 뚜렷한 최대값을 보이며, 준입자 평균 자유경로의 급격한 증가를 나타낸다.
• 저자기장 조건에서 준입자 평균 자유경로 $\ell$ 는 약 1 $\mu$m 에 도달하며, 이는 위상 일관성 길이 $\xi \sim$ 5 nm 와는 현저히 높은 수준이어서 초청정 상태임을 확인한다.
• 약 0.06 T 의 약한 자기장 조건에서도 $\ell$ 가 극도로 억제되며, 이는 초전도체 중에서 유례를 찾아볼 수 없는 현상이다.
• $\kappa_{xy}$ 의 자기장 의존성은 0.64 K 이하에서 약 0.06 T 에서 피크를 보이며, YBCO와 같은 초청정 고온 초전도체의 특성과 유사하다.
• $\kappa_{xy}$ 의 척도 행동과 그로부터 유도된 밀도 상태는 $d$-파라미터 초전도 대칭과 일치한다.
• $\varepsilon_F/\Delta \sim$ 3 은 $\ell/\xi \sim$ 200 과는 비교할 수 없을 정도로 작으며, 이는 강한 비오르트 점성과 이상적인 비오르트 역학이 기대되는 초청정 상태임을 확인한다.