[논문 리뷰] Evidence of a two-component order parameter in 4Hb-TaS2 in the Little-Parks effect

Avior Almoalem, Irena Feldman외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 29.

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한 줄 요약

이 연구는 단일 결정 링에서의 Little-Parks 효과를 통해 4Hb-TaS₂에서 이중 성분 초전도 주문 매개변수에 대한 직접적 증거를 제시한다. 임계 온도의 진동에서 π 이동을 관측하였으며, 이는 부호가 바뀌는 쌍성의 존재를 시사하고, 평면 내 자기장 하에서 Tc의 증가를 관측하였으며, 이는 나선형으로 비틀어진, 위상적으로 비자명한 초전도 상태와 일관된다. 이러한 결과들은 4Hb-TaS₂가 나선형 초전도체이며, 위상적 양자 현상의 잠재성을 지닌다는 강력한 근거를 제공한다.

ABSTRACT

Finding unambiguous evidence of non-trivial pairing states is one of the greatest experimental challenges in the field of unconventional superconductivity. Such evidence requires phase-sensitive probes susceptible to the internal structure of the order parameter. We measure the Little-Parks effect to provide clear evidence of an unconventional superconducting order parameter in 4Hb-TaS$_2$. Namely, we find a $π$-shift in the transition-temperature oscillations of rings made of a single crystal. We argue that such an effect can only occur if the underlying order parameter belongs to a two-dimensional representation, in other words there are two degenerate order parameters right at the transition. Additionally, we show that $T_c$ is enhanced as a function of the out-of-plane field when a constant in-plane field is applied. Such an increase is consistent with a chiral state, which again, in general only emerges from a two-component order parameter. In combination with previous experiments, our results strongly indicate that 4Hb-TaS$_2$ indeed realizes a chiral superconductor.

연구 동기 및 목표

• 4Hb-TaS₂에서 비국소 초전도성의 명확한 실험적 증거, 특히 이중 성분 주문 매개변수를 규명하는 것.
• 상호작용 초전도체에서 비s-파일드 대칭을 탐지하는 데 오랫동안 지속된 과제를 해결하는 것.
• 4Hb-TaS₂의 초전도 상태가 이전 간접적 증거에서 제안된 바와 같이 나선형이며 위상적으로 비자명한가를 확인하는 것.
• 초전도 전이 시점에서 주문 매개변수의 내부 구조를 탐사하기 위해 단일 결정 링에서의 위상 민감 측정을 사용하는 것.

제안 방법

• 단일 결정 4Hb-TaS₂에서 제작된 초전도 링에서 플럭스오이드 양자화와 위상 일관성을 탐지하기 위해 Little-Parks 진동을 측정하는 것.
• 자기장에 따른 임계 온도(Tc) 진동을 분석하여 부호가 바뀌는 주문 매개변수를 시사하는 π-이동 패턴을 식별하는 것.
• 평면 내 및 평면 외 자기장을 적용하여 Tc의 반응을 탐측하고 나선형 쌍성 채널과의 결합을 탐지하는 것.
• 응력 결합 이중 성분 주문 매개변수를 갖는 Ginzburg-Landau 이론을 적용하여 위상 결함로 인한 π-접합의 형성을 모델링하는 것.
• 위상 결함의 기원이 되는 구조적 응력 필드를 식별하여 주문 매개변수의 난류를 유도하고 π-접합을 유도하는 것.
• 실험적 진동 패tern을 이론 모델과 비교하여 s-파일드와 비국소 이중 성분 쌍성 간의 차이를 식별하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 4Hb-TaS₂ 링에서의 Little-Parks 효과는 Tc 진동에서 π-이동을 드러내는가? 이는 부호가 바뀌는 주문 매개변수를 시사하는가?
• RQ2 관측된 π-이동은 표본의 비균일성 또는 다결정성 효과가 아닌, 이중 성분 주문 매개변수에 기인한 것인가?
• RQ3 고정된 평면 내 자기장이 존재하는 조건에서 평면 외 자기장에 의한 Tc 증가가 나선형 초전도 상태를 지지하는가?
• RQ4 구조적 응력은 주문 매개변수의 위상 결함과 π-접합을 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 실험 데이터는 Tc에서 이중 성분 주문 매개변수의 2차원 표현으로 일관되게 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 약 50퍼센트의 단일 결정 4Hb-TaS₂ 링에서 Little-Parks 진동의 Tc에서 π-이동을 관측하였으며, 이는 전통적인 s-파일드 쌍성과 호환되지 않는 부호가 바뀌는 주문 매개변수를 시사한다.
• π-이동은 온도 사이클 동안 안정적이며, 열 사이클이나 다결정성 효과가 아닌 내재된 구조적 응력에 기인한 것으로 확인되어, 이중 성분 주문 매개변수를 확인한다.
• 작은 평면 내 자기장이 존재하는 조건에서 평면 외 자기장에 의한 Tc 증가가 관측되었으며, 이는 나선형 초전도 상태와의 결합을 지지한다.
• 이론적 모델링은 2π 회전 대칭을 갖는 응력 필드가 주문 매개변수에 분기 컷과 π-접합을 유도할 수 있음을 보여주며, 관측된 진동 이동을 설명한다.
• π-접합과 Tc 증가의 공존은 Tc에서 이중 성분 주문 매개변수를 갖는 나선형 초전도 상태를 강력히 지지한다.
• 이러한 결과는 이전의 STM, μSR 및 비틀림 기억 현상 데이터와 결합하여, 4Hb-TaS₂가 위상적 초전도성 특성을 지닌 나선형 초전도체임을 설득력 있게 제시한다.