[논문 리뷰] Field-induced tuning of the pairing state in a superconductor

Adrien Rosuel, C. Marcenat외 13명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 09.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 삼차원 결정축 방향의 자기장에서 UTe₂의 첫 번째 완전한 열역학적 상도를 보고하며, 저자기장에서의 스핀 트리플렛 초전도 상태에서 고자기장에서의 스핀 싱เก트론 초전도 상태로의 자기장 조절 전이를 규명한다. 주요 발견은 *b* 축 방향 고자기장에서 초전도 상 내에 뚜렷한 상전이가 존재하며, 자기장 유도 초전도성 강도 증가와 쌍정 대칭의 반전 현상이 강력한 증거를 바탕으로 확인된 것으로, 이는 초전도체에서 전례 없는 현상이다.

ABSTRACT

The recently discovered superconductor UTe$_2$, with a T$_c$ between 1.5~K and 2~K, is attracting much attention due to strong suspicion of spin-triplet and topological superconductivity. Its properties under magnetic field are also remarkable, with field-reinforced and field-induced superconducting phases. Here, we report the first complete thermodynamic determination of the phase diagram for fields applied along the three crystallographic directions. Measurements were performed up to 36~T along the hard magnetisation $b$~axis in order to follow the superconducting transition up to the metamagnetic transition at $H_{m} = 34.75$~T. They reveal the existence of a phase transition line within the superconducting phase, and drastic differences occurring between these two phases. Detailed analysis supports a different spin state between the two phases, implying a low-field spin-triplet to high-field spin-singlet transition, a unique case among superconductors, giving insight on the mechanisms leading to spin-triplet superconductivity.

연구 동기 및 목표

• 세 결정축 방향(*a*, *b*, *c*)에 따라 적용된 자기장에서 UTe₂의 전체 열역학적 상도를 규명하는 것.
• UTe₂에서 관측된 자기장 강화 초전도 상이 저자기장 상과 다른 쌍정 대칭을 가지는지에 대한 오랫동안 지속된 암시를 해소하는 것.
• 특히 *b* 축 방향에서 고자기장에서의 상한 임계 자기장 *H*_c2 증가의 기원을 조사하고, 쌍정 대칭에 대한 영향을 규명하는 것.
• UTe₂에서 저자기장과 고자기장 초전도 상을 분리하는 열역학적 상전이가 존재하는지 확인하여, 이는 서로 다른 쌍정 메커니즘을 암시할 수 있음을 밝히는 것.
• 이 비정상 초전도체에서 자기장이 스핀 트리플렛에서 스핀 싱게트론 쌍정으로의 전이를 유도한다는 가설을 검증하는 것.

제안 방법

• 36 T에 이르는 고정밀 비열 측정을 단결정 UTe₂ 시료에서 수행하여 자기장 및 자기장 방향에 따른 초전도 전이 온도 *T*_c를 매핑하는 것.
• *b*, *c* 평면 내에서의 각도 의존 비열 측정을 수행하여 초전도 상 전이의 자기장 재배향 의존성을 탐색하는 것.
• 메타자기 전이 자기장 *H*_m의 분포를 고려하기 위해 비열 이질성의 가우시안 폭 넓힘 분석을 수행하였으며, σ = 0.19 T로 설정함.
• *H*_m에 대한 자기장 의존 쌍정 강도 모델 *λ*(*H*/*H*_m)을 적용하여 *H*_c2와 *T*_c를 연결하고, ∂*T*_c/∂*H*_m를 통해 *T*_c의 *H*_m에 대한 민감도를 추출하는 것.
• 파라자기 제한이 포함된 및 포함되지 않은 *H*_c2 이론 모델을 비교하여 쌍정 대칭이 관측된 비열 이질성의 넓이에 미치는 영향을 평가하는 것.
• *C*/*T* 데이터에 대해 가우시안 피크 피팅 절차를 적용하여 상 경계를 매핑하고, 다양한 자기장 각도 및 크기에서의 *T*_c를 추출하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UTe₂에서 *b* 축 방향으로 관측된 자기장 강화 초전도 상은 다른 쌍정 대칭을 가지는 별개의 열역학적 상인가?
• RQ2 고자기장에서 UTe₂의 초전도 상 내에 열역학적 상전이가 존재하는가? 이는 쌍정 메커니즘의 변화를 암시하는가?
• RQ3 고자기장에서 관측된 *H*_c2 증가 현상은 스핀 트리플렛에서 스핀 싱게트론 쌍정으로의 자기장 조절 전이에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ4 쌍정 강도 *λ*(*H*)의 자기장 의존성은 비열 이질성의 넓이에 어떤 영향을 미치며, 이는 기저의 쌍정 대칭에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 *H*_m의 분포가 UTe₂에서 관측된 비열 특성의 형태를 어떻게 결정짓는가?

주요 결과

• *a* 축 방향에서, *T*_c 근처에서 *H*_c2의 강한 음의 곡률은 저자기장에서의 쌍정 강도 감소를 나타낸다.
• *b* 축 방향에서, 36 T까지의 비열 측정 결과는 임계 자기장 *H*_c2가 30 T를 초과하는 부피적 자기장 강화 초전도 상이 존재함을 확인한다.
• 고자기장에서 *b* 축 방향으로 초전도 상 내에 뚜렷한 상전이 선이 관측되며, 저자기장 상과 고자기장 상을 분리한다.
• 저자기장 상과 고자기장 상은 극명하게 다른 열역학적 거동를 나타내며, 이는 서로 다른 쌍정 메커니즘을 암시한다.
• *T*_c와 *H*_c2의 자기장 의존성에 대한 세부 분석은 고자기장에서 스핀 트리플렛에서 스핀 싱게트론 쌍정 상태로의 전이를 지지하며, 이는 초전도체에서 유일한 현상이다.
• 파라자기 제한이 *H*_c2 모델에 포함될 경우 비열 이질성의 넓이가 크게 증가하며, 이는 스핀 싱게트론 쌍정 상태에서 *H*_m 분포에 대한 더 큰 민감도를 나타낸다.