[논문 리뷰] Helical vortex phase in the non-centrosymmetric CePt_3Si

Raminder Kaur, D. F. Agterberg외 1명|arXiv (Cornell University)|2004. 08. 06.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 비중심대칭 초전도체 CePt3Si가 면내 자기장에서 스핀-오비탈 결합으로 인해 나선형 비틀림 상이 형성됨을 제안하며, 이로 인해 파라자이로닉 쌍 끊김 효과가 억제되고 이로 인해 이례적으로 높은 상한 임계장이 발생함을 설명한다. 나선형 질서는 전류 간섭 무늬를 보이는 조지프슨 접합 실험을 통해 감지 가능하며, 횡방향 자화가 주요 서명이다.

ABSTRACT

We consider the role of magnetic fields on the broken inversion superconductor CePt_3Si. We show that upper critical field for a field along the c-axis exhibits a much weaker paramagnetic effect than for a field applied perpendicular to the c-axis. The in-plane paramagnetic effect is strongly reduced by the appearance of helical structure in the order parameter. We find that to get good agreement between theory and recent experimental measurements of H_{c2}, this helical structure is required. We propose a Josephson junction experiment that can be used to detect this helical order. In particular, we predict that Josephson current will exhibit a magnetic interference pattern for a magnetic field applied perpendicular to the junction normal. We also discuss unusual magnetic effects associated with the helical order.

연구 동기 및 목표

• 강한 파라자이로닉 효과가 존재하는 바에 불구하고 CePt3Si에서 이례적으로 높은 상한 임계장 Hc2를 설명하기 위해.
• 비중심대칭 초전도체인 CePt3Si에서 면내 자기장에 대해 파라자이로닉 쌍 끊김이 어떻게 이방성으로 억제되는지 이해하기 위해.
• 면내 자기장에서 파라자이로닉 효과가 억제되는 메커니즘으로서 나선형 비틀림 상 순서를 제안하기 위해.
• 나선형 비틀림 상 인자에 대한 직접적인 실험적 검증을 위해 조지프슨 접합을 사용하여 수행할 수 있는 방법을 제공하기 위해.
• 나선형 질서로부터 유도되는 횡방향 자화를 예측하여, 다른 감지 방법을 제공하기 위해.

제안 방법

• CePt3Si의 전자 구조를 기술하기 위해 라슈바 스핀-오비탈 결합을 포함한 이중 밴드 모델을 사용한다.
• 비대칭성을 가진 초전도체 두 개 사이의 조지프슨 접합을 모델링하기 위해 기니츠부르크-랜다우 유형의 자유 에너지 접근법을 적용한다.
• 파라미터 차이에 따른 조지프슨 전류를 유도하며, 자기장에 수직인 방향의 파라미터 파동수 q를 포함한 나선형 질서를 포함한다.
• 조지프슨 전류의 간섭 무늬를 계산하여, 자기장과 qL에 따라 변하는 프라운호퍼 유사 조절 무늬를 보여준다.
• 나선형 질서로부터 기인하는 횡방향 자화를 계산하며, 이는 m ∝ n × J0의 관계에 따라, 여기서 n은 비틀림 핵의 단위 벡터이다.
• 전이 온도 Tc 근처에서 미세한 계산을 수행하여 나선형 파동수 q를 자기장과 물질적 매개변수와 연결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CePt3Si에서 c축에 따라 자기장이 작용할 때 강한 제이만 분할이 존재하는 바에 불구하고 상한 임계장 Hc2가 왜 높은가?
• RQ2 CePt3Si에서 대칭성이 없는 것이 면내 자기장에서 파라자이로닉 쌍 끊김의 억제로 이어지는가?
• RQ3 CePt3Si의 나선형 비틀림 상은 실험적으로 감지 가능한가? 그리고 조지프슨 접합에서 어떤 서명을 낼 수 있는가?
• RQ4 나선형 질서 파라미터로부터 유도되는 횡방향 자화의 성격은 무엇인가?
• RQ5 나선형 질서가 비중심대칭 초전도체를 포함한 접합에서 조지프슨 전류에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• c축에 따라 자기장이 작용할 경우 상한 임계장 Hc2는 파라자이로닉 억제가 거의 없이 유지되며, 전통적인 초전도체와 일치한다.
• 면내 자기장의 경우, 자기장에 수직인 방향의 파라미터 파동수 q를 가진 나선형 비틀림 상이 형성되어 파라자이로닉 효과가 강하게 억제된다.
• 나선형 질서는 실험적 Hc2 데이터를 설명하며, 작은 이방성(Hc2^c / Hc2^ab = 1.18 at T=0)과 파라자이로닉 한계의 명백한 부재를 설명한다.
• 접합면에 비중심대칭 초전도체(CePt3Si)를 포함하고, 자기장이 수직인 조건에서 조지프슨 접합 실험은 전류에서 프라운호퍼 유사 간섭 무늬를 나타낸다.
• 조지프슨 전류는 qL에 관련된 주기적 진동을 보이며, |qL| >> 1인 경우 추가적인 외부 자기장이 존재할 때 무늬가 비대칭이 된다.
• 초전류가 흐르는 얇은 필름에서 약 0.02 가우스의 횡방향 자화가 나선형 질서로부터 예측되며, 이는 다른 감지 채널을 제공한다.