[논문 리뷰] Generalized Spin Fluctuation Feedback In Correlated Fermion Superconductors

Amin, Adil, Agterberg, D. F.|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 23.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초유체 3He의 A상 안정화에 기여하는 스핀 플럭투에이션 메커니즘을 영감으로 삼아, 일반화된 스핀 플럭투에이션 피드백이 UPt3, PrOs4Sb12, U1−xThxBe13와 같은 관련 페르미온 시스템에서 두 개의 초전도 전이를 설명한다고 제안한다. 초전도 오더 파라미터를 반자성 또는 반자기 이중극자 플럭투에이션과 결합함으로써 이 이론은 시간역행 대칭성을 유지하는 나-oriented A상이 먼저 안정화되고, 이후 두 번째로 2차 전이를 통해 시간역행 대칭성을 깨는 B상으로 전이됨을 설명한다. 이는 실험 관측과 대칭 제약 조건과 일치한다.

ABSTRACT

Experiments reveal that the superconductors $ ext{UPt}_3$, $ ext{U}_{1-x} ext{Th}_x ext{Be}_{13}$ and $ ext{PrOs}_4 ext{Sb}_{12}$ undergo two superconducting transitions in the absence of an applied magnetic field. The prevalence of these multiple transitions suggests a common underlying mechanism. A natural candidate theory which accounts for these two transitions is the existence of a small symmetry breaking field, however such a field has not been observed in $ ext{PrOs}_4 ext{Sb}_{12}$ or $ ext{U}_{1-x} ext{Th}_x ext{Be}_{13}$ and has been called into question for $ ext{UPt}_3$. Motivated by arguments originally developed for superfluid $^3 ext{He}$ we propose that a generalized spin fluctuation feedback effect is responsible for these two transitions. We first develop a phenomenological theory for $^3 ext{He}$ that couples spin fluctuations to superfluidity, which correctly predicts that a high temperature broken time-reversal superfluid $^3 ext{He}$ phase can emerge as a consequence. The transition at lower temperatures into a time-reversal invariant superfluid phase must then be first order by symmetry arguments. We then apply this phenomenological approach to the three superconductors $ ext{UPt}_3$, $ ext{U}_{1-x} ext{Th}_x ext{Be}_{13}$ and $ ext{PrOs}_4 ext{Sb}_{12}$ revealing that this naturally leads to a high-temperature time-reversal invariant nematic superconducting phase, which can be followed by a second order phase transition into a broken time-reversal symmetry phase, as observed.

연구 동기 및 목표

• UPt3, PrOs4Sb12, U1−xThxBe13에서 두 개의 상이한 초전도 전이에 대한 오랫동안 해결되지 않은 수수께끼를 외부로 관측되지 않은 대칭성 깨짐 필드를 도입하지 않고도 해결하고자 한다.
• 초유체 3He에서의 스핀 플럭투에이션 피드백 메커니즘을 비정상적 쌍성의 초전도체인 관련 페르미온 초전도체로 확장하고자 한다.
• 반자성 또는 반자기 이중극자 플럭투에이션이 시간역행 대칭성을 유지하는 A상과 시간역행 대칭성을 깨는 B상을 안정화시킬 수 있는지 확인하고자 한다.
• 대칭성 고려사항과 극성 Kerr 효과 측정을 통해 가능한 오더 파라미터를 제약 조건을 적용하고자 한다.
• 플럭투에이션 유도 Ginzburg-Landau 계수 재정의를 기반으로 하중-페르미온 초전도체에서 다중 전이를 설명하는 통합 현상학적 프레임워크를 제공하고자 한다.

제안 방법

• 스핀 플럭투에이션 피드백을 포함하는 초유체 3He에 대한 현상학적 Ginzburg-Landau 이론을 개발하여, 시간역행 대칭성을 깨는 A상의 안정화를 재현한다.
• 3He 메커니즘을 관련 초전도체로 매핑하기 위해 유사한 플럭투에이션 채널을 식별한다: UPt3와 U1−xThxBe13에서는 반자성(AFM), PrOs4Sb12에서는 반자기 이중극자(afq) 플럭투에이션.
• 군 이론을 사용하여 오더 파라미터의 기하학적 표현(irreducible representations, irrep)을 분류하고 A상 및 B상에 대해 허용된 대칭 채널을 결정한다.
• 극성 Kerr 효과 측정에서 얻은 대칭 제약 조건을 적용하여 특정 오더 파라미터 채널을 배제한다.
• 플럭투에이션 피드백으로 인한 재정의된 Ginzburg-Landau 계수를 계산하여 플럭투에이션이 A상을 어떻게 안정화시키는지 설명한다.
• 피드백 항의 형태를 사용하여 각 물질과 irrep에 대해 허용되는 오더 파라미터 성분을 결정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반화된 스핀 플럭투에이션 피드백 메커니즘이 외부 대칭성 깨짐 필드 없이 UPt3, PrOs4Sb12, U1−xThxBe13에서 두 개의 초전도 전이를 설명할 수 있는가?
• RQ2 관측된 상 순서와 대칭 제약 조건과 호환되는 오더 파라미터의 기하학적 표현(irreps)은 무엇인가?
• RQ3 극성 Kerr 효과 측정은 PrOs4Sb12와 U1−xThxBe13에서 서로 다른 오더 파라미터 채널을 구별할 수 있는가?
• RQ4 반자성 또는 반자기 이중극자 플럭투에이션이 Ginzburg-Landau 자유 에너지를 어떻게 수정하여 시간역행 대칭성을 유지하는 A상을 안정화시키는가?
• RQ5 3D Tg/u 표현에서 스핀 플럭투에이션 피드백의 형태로 인해 PrOs4Sb12와 U1−xThxBe13의 쌍성 채널에 어떤 제약 조건이 존재하는가?

주요 결과

• 모든 세 물질에 대해 일반화된 스핀 플럭투에이션 피드백 메커니즘이 고온에서 시간역행 대칭성을 유지하는 나-oriented A상을 안정화시키고, 이후 두 번째 2차 전이를 통해 시간역행 대칭성을 깨는 B상으로 전이됨을 보여준다.
• PrOs4Sb12의 3D Tg/u 기하학적 표현은 스핀 플럭투에이션 피드백의 형태로 인해 두 개의 가능한 상태 중 하나의 A상 대칭성만 허용되며, 이는 쌍성 채널에 대한 강력한 제약 조건을 제공한다.
• 극성 Kerr 효과 측정은 PrOs4Sb12의 2D Eg/u 표현을 배제한다. 향후 훈련 필드 방향을 변화시킨 측정을 통해 3D Tg/u 케이스의 제약 조건을 더욱 강화할 수 있다.
• U1−xThxBe13에서 3D Tg/u 표현을 사용할 경우 스핀 플럭투에이션 피드백은 두 개의 가능한 A상 대칭성 중 하나만 허용하므로, 쌍성 상태에 대한 강력한 제약 조건을 제공한다.
• U1−xThxBe13에서 극성 Kerr 측정을 수행하면 2D (Eg/u) 시나리오를 배제할 수 있고, 3D (Tg/u) 표현 내의 쌍성 채널을 추가로 제약 조건을 적용할 수 있다.
• 이 이론은 세 가지 서로 다른 물질에서 다중 전이를 통합적으로 설명하며, 공통된 플럭투에이션 유도 안정화 메커니즘을 통해 연결한다.