[논문 리뷰] Evidence for broken time-reversal symmetry in the superconducting phase of URu$_2$Si$_2$

Elizabeth Schemm, R. E. Baumbach외 4명|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|2014. 10. 06.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 고순도 단일결정에서의 극성 Kerr 효과(PKE) 측정을 통해 URu₂Si₂의 초전도 상태에서 시간역전 대칭성의 위반을 직접 실험적으로 입증한다. Tc ≈ 1.5 K 이하에서 작은 내재된, 외부 자기장에 의해 조절 가능한 Kerr 신호가 나타나며, 이는 E_g 대칭을 가지며 복소 갭 함수 Δ(k) ∝ sin(k_z c/2)(sin((k_x+k_y)a/2) ± i sin((k_x−k_y)a/2))를 갖는 측면의 d파동 초전도 상태 파라미터와 일치한다. 이는 c축을 따라 유한한 쌍의 각운동량을 통해 시간역전 대칭성을 위반한다.

ABSTRACT

Recent experimental and theoretical interest in the superconducting phase of the heavy fermion material URu$_2$Si$_2$ has led to a number of proposals in which the superconducting order parameter breaks time-reversal symmetry (TRS). In this study we measured polar Kerr effect (PKE) as a function of temperature for several high-quality single crystals of URu$_2$Si$_2$. We find an onset of PKE below the superconducting transition that is consistent with a TRS-breaking order parameter. This effect appears to be independent of an additional, possibly extrinsic, PKE generated above the hidden order transition at $T_{HO}=17.5$ K, and contains structure below $T_c$ suggestive of additional physics within the superconducting state.

연구 동기 및 목표

• URu₂Si₂의 초전도 상태가 시간역전 대칭성(TRS)을 위반하는지 여부를 규명하는 것. 이는 비국소적 쌍성의 주요 징후이다.
• 숨겨진 순서 상태 또는 자성 불순물에서 기인하는 외재적 기여와 내재된 TRS 위반을 구별하는 것.
• 초전도 상태에서 이전까지 설명되지 않았던 저온에서의 비정상 현상의 성격을 직접 광학적 탐측을 통해 규명하는 것.
• 스카이메오닉 스핀 구조를 가진 혼합 스핀-1/2 및 스핀-3/2 쌍성 모델을 포함한 측면 초전도 이론 모델을 시험하는 것.

제안 방법

• 300 mK까지의 온도에서 고순도 단일결정 URu₂Si₂에 대해 극성 Kerr 효과(PKE) 측정을 수행하였다.
• Sagnac 간섭계 구조를 통해 Kerr 각도를 측정하였으며, 이는 3차원 Hall 전도도 σ_xy의 허수부분에 비례한다.
• 샘플을 자기장에 노출시켜 Kerr 신호의 기원을 탐색하고, 내재적 기여와 외재적 기여를 구별하였다.
• 저항도 및 잔류저항비(RRR) 측정을 통해 샘플 품질과 초전도 전이 온도 Tc를 특성화하였다.
• gap 함수 Δ(k) = Δ₀ sin(k_z c/2)(sin((k_x+k_y)a/2) ± i sin((k_x−k_y)a/2))의 이론적 모델링을 통해 TRSB 및 PKE를 예측하였다.
• 기존에 시간역전 대칭성 위반을 보이는 것으로 알려진 Sr₂RuO₄와 UPt₃과의 비교 분석을 통해 PKE 신호의 해석에 대한 배경을 제공하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 URu₂Si₂의 초전도 상태가 측면의 d파동 쌍성 모델이 예측한 바와 같이 시간역전 대칭성을 위반하는가?
• RQ2 관측된 극성 Kerr 효과는 초전도 상태의 내재적 성질인지, 숨겨진 순서 전이 또는 자성 불순물 등 외재적 요인의 영향을 받는가?
• RQ3 약 1 K 근처에서 관측된 추가적인 PKE 비정상성의 원인은 무엇이며, 초전도 갭 구조와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 PKE 신호가 자기장에 의해 조절 가능할 수 있으며, 이는 그 기원과 초전도 오더 파라미터의 성격에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 관측된 PKE 결과는 혼합 스핀-1/2 및 스핀-3/2 쌍성 또는 이중 전이 시나리오를 포함한 URu₂Si₂의 초전도 이론 모델과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• Tc ≈ 1.5 K 이하에서 약 160 나노라디안의 작고 재현 가능한 극성 Kerr 효과가 나타나며, 이는 초전도 상태에서 내재된 시간역전 대칭성 위반을 시사한다.
• Kerr 신호는 자기장에 의해 조절 가능하며, 약 25 K 근처의 고온 PKE 신호와 독립적이므로 기원이 다름을 시사하며, 초전도 상태의 내재적 TRSB를 지지한다.
• 약 0.8–1 K에서 추가적인 PKE 비정상성이 나타나며, 이는 알려진 초전도체 중에서 유일하며 표준 E_g 측면의 d파동 모델을 초월하는 물리적 현상을 시사한다.
• 관측된 TRSB는 Δ(k) ∝ sin(k_z c/2)(sin((k_x+k_y)a/2) ± i sin((k_x−k_y)a/2)) 형태의 측면의 d파동 초전도 오더 파라미터와 일치하며, c축을 따라 유한한 쌍의 각운동량을 통해 시간역전 대칭성을 위반한다.
• 최근의 고자기장에서의 면내 TRSB 모멘트 보고와 데이터가 일치하지 않으며, 유한한 자기장에서의 필드 유도 상전이 또는 다른 쌍성 상태가 존재할 가능성을 시사한다.
• 결과는 c축을 따라 점노드를 가지며, k_z = 0 및 ±2π/c에서 선노드를 가지는 측면의 d파동 쌍성 모델을 지지하며, 최근의 μSR 측정 결과(초전도 상태에서 내재된 자기장 존재)와 일치한다.