[논문 리뷰] Enhanced triplet superconductivity in next generation ultraclean UTe2

Z. Wu, T. I. Weinberger외 18명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 30.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 소금 유속법을 통해 성장시킨 차세대 초순수 UTe2 결정에서 자기쌍서열 초전도성의 향상된 특성을 보고하며, 딱딱한 b축 근처에서 자기장 강화 초전도성 영역이 크게 확장됨을 나타낸다. 결과적으로 결정 결함이 스핀 트리플렛 초전도 상 간 전이를 조절하는 자기장 변동을 강하게 억제함을 밝혀내었으며, 초순수 샘플은 35 T까지 강력한 SC2 상을 유지하고, 결함에 의한 산산이 줄어든 산란으로 인해 자기장 강화 행동이 향상됨을 보였다.

ABSTRACT

The unconventional superconductor UTe$_2$ exhibits numerous signatures of spin-triplet superconductivity -- a rare state of matter which could enable quantum computation protected against decoherence. UTe$_2$ possesses a complex phase landscape comprising two magnetic field-induced superconducting phases, a metamagnetic transition to a field-polarised state, along with pair- and charge-density wave orders. However, contradictory reports between studies performed on UTe$_2$ specimens of varying quality have severely impeded theoretical efforts to understand the microscopic origins of the exotic superconductivity. Here, we report a comprehensive suite of high magnetic field measurements on a new generation of pristine quality UTe$_2$ crystals. Our experiments reveal a significantly revised high magnetic field superconducting phase diagram in the ultraclean limit, showing a pronounced sensitivity of field-induced superconductivity to the presence of crystalline disorder. We employ a Ginzburg-Landau model that excellently captures this acute dependence on sample quality. Our results suggest that in close proximity to a field--induced metamagnetic transition the enhanced role of magnetic fluctuations -- that are strongly suppressed by disorder -- is likely responsible for tuning UTe$_2$ between two distinct spin-triplet superconducting phases.

연구 동기 및 목표

• 차세대 초순수 단일 결정을 연구하여 UTe2의 초전도성 특성에 대한 서로 모순되는 보고를 해결하기 위해.
• 결정 결함이 스핀 트리플렛 초전도 상 간 전이를 조절하는 자기장 변동을 억제하는 역할을 하는지 조사하기 위해.
• 고자기장에서의 자기장 강화 초전도 상태(SC2)와 b축 근처의 각도 의존성을 특성화하기 위해.
• 초순수 UTe2에서 초전도 전이 온도의 향상과 자기장 강도 간의 연관성을 확립하기 위해.
• 불순물이 있는 샘플과의 비교를 통해 자기장 강화 초전도 상태의 미세 구조 기원을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 소금 유속 기법으로 성장시킨 초순수 UTe2 단일 결정에서 고자기장 전기저항도 및 비열 측정을 수행하였다.
• 자기장이 딱딱한 b축 근처로 가도록 설정하여 각도 의존성 전기저항 측정을 수행하여 자기장 강화 초전도 상태의 각도 범위를 매핑하였다.
• 자기장에 의존하는 자기에너지 보정을 포함한 약한 결합 BCS 유형 모델을 사용하여 초전도 갭 함수를 기술하였으며, 전자 붕괴율 Γₑ를 통해 결함을 포함시켰다.
• 마츠부라 주파수 합산을 사용하여 자기일관성 갭 방정식을 유도하였으며, 자기장에 대한 순서 매개변수의 횡방향(d⊥) 및 종방향(d∥) 성분을 모두 포함시켰다.
• 순서 매개변수의 종방향 성분이 갭 방정식에 기여하는 데 기여도를 가중하기 위해 현상학적 형상 인자 c(θ,φ)를 도입하였다.
• 디아이감 함수 ψ를 사용하여 전자 그린 함수에 대한 자기장 및 결함 효과를 고려하여, 자기장 및 결함 강도에 따른 임계 온도 Tc를 계산하였다.

Figure 1: Electrical resistivity, $\rho$ , as a function of temperature, $T$ , for three samples grown by the molten salt flux (MSF) technique (colored points), plotted alongside data reported for a chemical vapor transport (CVT) specimen in ref. [ 10 ] . $T_{\text{c}}$ values were determined by zer

실험 결과

연구 질문

• RQ1 결정 결함은 b축 근처에서 자기장 강화 초전도 상(SC2)의 안정성과 범위에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 고자기장에서 SC2 상을 안정화시키는 데 자기장 변동이 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 이전 연구들은 왜 UTe2의 초전도 전이에 대해 서로 다른 결과를 보였으며, 샘플 품질은 이를 어떻게 해결하는가?
• RQ4 UTe2의 상한 임계 자기장은 패울리 한계를 어느 정도 초월하는가? 이는 쌍서열 대칭성에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 초순수 대비 불순물이 많은 UTe2 샘플에서 초전도의 각도 의존성은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 초순수 UTe2 결정은 이전 샘플에 비해 b축 근처에서 자기장 강화 초전도 상(SC2)의 각도 범위가 크게 확장된 것으로 나타났다.
• SC2 상에서의 임계 온도 Tc는 초순수 결정에서 향상되어, 결함 산산이 줄어든 산란으로 인한 더 강한 초전도 쌍서열을 시사한다.
• 자기장이 b축에 가까운 방향으로 정렬된 경우, 초전도성은 μ₀H ≈ 35 T까지 유지되며, 패울리 파라자향 한계에 강건한 스핀 트리플렛 쌍서열 메커니즘과 일치한다.
• 초순수 결정에서 자기장 강화 SC2 상의 각도 범위가 뚜렷이 증가하여, 결함에 의해 억제되는 자기장 변동이 이 상의 안정화에 핵심적임을 시사한다.
• 결함에 의한 자기장 변동 억제는 자기장 강화 초전도 상태의 소실 또는 약화와 직접적으로 연관되어 있으며, 이는 이전의 불순물이 많은 샘플과의 대비에서 뚜렷하게 드러난다.
• 현상학적 형상 인자 c(θ,φ)를 포함한 자기장 및 결함 의존 갭 방정식을 사용한 이론적 모델링은 관측된 Tc의 각도 및 자기장 의존성을 성공적으로 재현하였으며, 자기장 변동이 초전도 상태 조절에 기여하는 바를 확인하였다.

Figure 2: Magnetic field–temperature superconducting phase diagram of UTe 2 . For field oriented along each crystallographic axis, $T_{\text{c}}$ ( $H$ ) is enhanced for MSF samples (bold symbols) in comparison to CVT samples (pale symbols). Lines are given as a guide to the eye. Contacted (contactl