[논문 리뷰] $c$-axis transport in UTe$_{2}$: Evidence of Three Dimensional Conductivity Component

Yun Suk Eo, Shouzheng Liu외 14명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 08.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 일반화된 몽고메리 기법을 사용하여 삼정계 축 방향으로 유니크라이드 트리우르티드(UTe₂)의 전기 저항을 측정하여, 코니도 위상에서의 예상치 못한 등방성 c축 전도도를 규명하였다. c축 저항은 약 10 K에서 뚜렷한 피크를 보이며, 코니도 필터링과 무관한 자화 산란 메커니즘을 시사하며, 여러 전도 채널과 초전도성 이해에 핵심적인 자화 전이 스케일을 드러낸다.

ABSTRACT

We study the temperature dependence of electrical resistivity for currents directed along all crystallographic axes of the spin-triplet superconductor UTe$_{2}$. We focus particularly on an accurate determination of the resistivity along the $c$-axis ($ρ_c$) by using a generalized Montgomery technique that allows extraction of crystallographic resistivity components from a single sample. In contrast to expectations from the observed highly anisotropic band structure, our measurement of the absolute values of resistivities in all current directions reveals a surprisingly nearly isotropic transport behavior at temperatures above Kondo coherence, with $ρ_c \sim ρ_b \sim 2ρ_a$, that evolves to reveal qualitatively distinct behaviors on cooling. The temperature dependence of $ρ_c$ exhibits a peak at a temperature much lower than the onset of Kondo coherence observed in $ρ_a$ and $ρ_b$, consistent with features in magnetotransport and magnetization that point to a magnetic origin. A comparison to the temperature-dependent evolution of the scattering rate observed in angle-resolved photoemission spectroscopy experiments provides important insights into the underlying electronic structure necessary for building a microscopic model of superconductivity in UTe$_{2}$.

연구 동기 및 목표

• UTe₂에서 세 개의 결정학적 축(a, b, c)을 따라 고정밀도로 절대 저항을 측정하는 것.
• 단일 결정을 이용한 일반화된 몽고메리 기법을 적용하여 c축 전도도에 오랫동안 애매하게 여겨진 문제를 해결하는 것.
• 특히 이방성에 기인한 예상과는 다르게 나타나는 c축 방향의 비정상적 저항 거동의 기원을 규명하는 것.
• 자기장 전도도 및 ARPES 데이터와의 비교를 통해 저항 이상 현상이 자화 진동 스펙트럼과 산란 메커니즘과 어떻게 연결되는지 분석하는 것.
• UTe₂에서 스핀-삼중체 초전도성의 미세한 이론 구축을 위한 핵심적인 정상 상태 전자 구조 데이터를 제공하는 것.

제안 방법

• 전류 및 전압 방향을 제어한 사단자 측정을 통해 이방성 단일 결정에서 개별 저항 성분(ρₐ, ρ_b, ρ_c)을 추출하기 위해 일반화된 몽고메리 기법을 적용하였다.
• 유니크라이드 트리우르티드(UTe₂)의 고품질 단일 결정을 부양존드 방법로 성장시켜, a, b, c축을 따라 온도 의존 저항을 측정하였다.
• 14 T에서 자기장 의존 저항을 측정하여 자기저항(_MR_)과 자기화도 변화(ΔM/H)를 추출하였으며, H ∥ a 및 H ∥ b 방향에서 측정하였다.
• 저항 데이터를 각도별 분광 분석(ARPES) 결과와 비교하여 온도 의존 산란률을 분석하였다.
• 자기화 및 자기 반응 데이터를 분석하여 자화 진동과 관련된 에너지 스케일을 규명하였다.
• 수리-베어스 분석을 통해 고온 자기화도를 추출하고 반자성 상호작용을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 전자 이방성 밴드 구조에 비해 왜 c축 저항(ρ_c)이 ρ_a 및 ρ_b와 놀랍게 등방성이며, 높은 수준을 유지하는가?
• RQ2 ρ_a 및 ρ_b에서 관찰된 코니도 위상 전이 온도(약 30–40 K)보다 훨씬 낮은 약 10 K에서 ρ_c에 뚜렷한 피크가 나타나는 이유는 무엇인가?
• RQ3 c축 전도 특성은 a축 및 b축과 어떻게 질적으로 다를 수 있으며, 이는 기초 전도 채널에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 ρ_c 피크를 일으키는 자화 산란 메커니즘의 성격은 무엇이며, 자화 진동 스펙트럼과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ5 관측된 저항 이상 현상은 자화, 자기저항 및 ARPES를 통해 유도된 산란률의 특징과 어떻게 상관되는가?

주요 결과

• 고온에서 c축 저항 ρ_c는 밴드 구조의 강한 이방성에 비해 예상과는 다르게 ρ_a 및 ρ_b와 거의 등방성임을 확인하였으며, ρ_c ≈ ρ_b ≈ 2ρ_a의 관계를 보였다.
• ρ_c는 약 10 K에서 뚜렷한 피크를 보이며, 이는 ρ_a 및 ρ_b에서 관찰된 코니도 위상 전이 온도(약 30–40 K)보다 훨씬 낮은 온도에서 발생한다.
• ρ_c의 피크는 H ∥ a 방향에서 자기저항(MR) 및 ΔM/H의 최소값과 일치하며, c축 전도에 영향을 미치는 자화 전이 스케일이 약 10 K에 존재함을 시사한다.
• ρ_c의 온도 의존성은 코니도 필터링과 일치하지 않으며, 대신 약 10 K의 에너지 스케일을 가진 비-코니도 유사 자화 산란 메커니증체를 시사한다.
• 관측된 전이 스케일은 자화의 양자临계 스케일링(M/T ∝ H/T¹.⁵)과 일치하며, 약 15 K 근처에서 진동 스펙트럼의 변화를 암시한다.
• ARPES 데이터는 온도 의존 산란률이 ρ_c 피크와 상관관계를 가지며, 정상 상태에서 전자 상호작용과 자화 진동 간의 연결 고리를 뒷받침한다.