[논문 리뷰] Chiral superconductivity in UTe2 probed by anisotropic low-energy excitations

K. Ishihara, M. Roppongi외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 28.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 UTe2에서 이방성 자속 침투 깊이 측정을 통해 편극 스핀 트리플렛 초전도성을 규명하였으며, 승수 법칙 온도 의존성(지수 약 2)을 보이며 다중 점 노드를 나타내었다. 데이터는 비단위 상태인 채널 $B_{3u}+iA_u$를 지지하며, 시간역행 대칭 위반과 토폴로지적 마요라나 준입자를 뒷받침한다.

ABSTRACT

Chiral spin-triplet superconductivity is a topologically nontrivial pairing state with broken time-reversal symmetry, which can host Majorana quasiparticles. The recently discovered heavy-fermion superconductor UTe$_2$ exhibits peculiar properties of spin-triplet pairing, and the possible chiral state has been actively discussed. However, the symmetry and nodal structure of its order parameter in the bulk, which determine the Majorana surface states, remains controversial. Here we focus on the number and positions of superconducting gap nodes in the ground state of UTe$_2$. Our magnetic penetration depth measurements for three field orientations in the Meissner state reveal the power-law temperature dependence with exponents nearly equal to 2 or less than 2, which excludes single-component spin-triplet states. The anisotropy of low-energy quasiparticle excitations indicates multiple point nodes near the $k_y$- and $k_z$-axes, evidencing that the order parameter has multiple components in a chiral complex form. We find that most consistent is a chiral $B_{3u}+iA_u$ non-unitary state, which provides fundamentals of the topological properties in UTe$_2$.

연구 동기 및 목표

• UTe2에서의 초전도 오더 파라미터 대칭성과 노드 구조를 규명하기 위해, 자성 양자临계점 근처의 무거운 페르미온 초전도체에서 수행한다.
• UTe2가 편극적이고 시간역행 대칭 위반을 보이는 초전도 상태를 지닌다거나, 토폴로지적 성질을 지닌다는데 대한 논란을 해결하기 위해.
• 이방성 저에너지 준입자 자극을 이용하여 초전도 갭 노드의 존재와 위치를 규명하기 위해.
• 온도 의존성 침투 깊이 이방성에 기반해 단일 성분과 다중 성분 오더 파라미터를 구별하기 위해.
• UTe2에서 노드 구조와 잠재적 토폴로지적 마요라나 준입자 간의 연관성을 설정하기 위해.

제안 방법

• 세 가지 자기장 방향(a, b, c 축)에서 메이스너 상태에서의 자기 침투 깊이 측정($\Delta\lambda(T)$)을 수행하여 이방성 준입자 자극을 탐사하였다.
• 이상적인 온도 의존성 분석을 통해 노드 구조를 유추: 전류 방향에 노드가 있을 경우 $T^2$ 의존성, 그렇지 않으면 $T^4$ 의존성.
• 터널 다이오드 온도계 기술을 사용하여 a, b, c 축에 따라 약간의 교류 자기장을 적용하여 주파수 이동을 측정하였으며, 이는 $\Delta\lambda(T)$ 비례하였다.
• 기본 이론 모델(예: $B_{3u}$, $A_u$, $B_{3u}+iA_u$)을 분석하고 예측된 노드 위치 및 $T$-의존성과 실험 데이터를 비교하였다.
• 오더 파라미터 성분 계수($c_4$, $c_5$, $c_6$)를 변화시켜 수치 시뮬레이션을 수행하여 $n_b$와 $n_c$에 미치는 영향을 평가하였다.
• 페르미 표면 기하학을 고려하여 구형과 실제 3D/준2D 페르미 표면 간 비교를 수행하였으며, $n_a$와 $n_b$ 값에서의 격리 현상을 기록하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UTe2는 시간역행 대칭 위반을 보이는 편극 초전도 상태를 지닌다?
• RQ2 UTe2의 초전도 갭 노드는 어떤 구조를 가지며, 자기장 방향에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 다중 성분 오더 파라미터 대칭(예: $B_{3u}+iA_u$) 중에서 관측된 이방성 $T$-의존성의 침투 깊이를 가장 잘 설명하는 것은 무엇인가?
• RQ4 다른 오더 파라미터 성분의 상대적 크기는 준입자 자극 이방성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 일부 자기장 방향에서 관측된 $T^2$-유사 의존성은 전류 방향에 정렬된 점 노드 존재를 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 자기장 방향에서 자기 침투 깊이 $\Delta\lambda(T)$는 $T^2$-유사 의존성을 보이며, 선형 노드나 완전 갭이 아닌 다중 점 노드를 나타낸다.
• 다른 자기장 방향 간 $\Delta\lambda(T)$의 이방성은 단일 성분 스핀 트리플렛 상태를 배제한다. 이는 전류가 노드 방향과 수직일 경우 $T^4$ 의존성을 보일 것이기 때문이다.
• 데이터는 비단위 상태인 채널 $B_{3u}+iA_u$에 의해 가장 잘 설명되며, 이는 시간역행 대칭 위반과 토폴로지적 초전도를 지지한다.
• $A_u$ 오더 파라미터의 $c_4$ 성분이 $T$-의존성 지수의 샘플별 변동성의 핵심 요소로 규명되었으며, 이는 노드 분할 및 간섭 효과 때문일 가능성이 높다.
• $a$-축 준입자 자극은 $b$- 및 $c$-축에 비해 현저히 억제되어 있으며, 이는 $B_{3u}+iA_u$ 상태에서 $a$-축에 노드가 없음을 일관되게 뒷받침한다.
• 이론적 모델링은 실제 페르미 표면 기하학(정점 Z에서 3D, 준2D 면)이 공구형 페르미 표면 근사보다 실험 결과와 더 잘 일치함을 시사하며, 특히 $n_a$와 $n_b$에서 그러한 일치가 뚜렷하다.