[논문 리뷰] Incommensurate Spin Fluctuations in the Spin-triplet Superconductor Candidate UTe$_2$

Chunruo Duan, Kalyan Sasmal외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 27.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 비탄성 중성자 산란을 통해 UTe₂가 자화 순서가 없음에도 불구하고 0.3 K까지도 정적 자성 순서가 관측되지 않음에도 불구하고, 반자성 파동수 벡터 근처에서 우세한 비공명 자화 변동을 드러내며, 이는 최대 2.6 meV까지 연장됨을 확인하였다. 이러한 변동은 DFT+DMFT 계산을 통해 U-5f 모멘트 간 RKKY 상호작용에 의해 유도됨을 확인하였으며, 이는 Tc ≈ 1.6 K인 비단순 스핀 트리플렛 초전도 상태의 핵심 원인이다.

ABSTRACT

Spin-triplet superconductors are of extensive current interest because they can host topological state and Majorana ferimons important for quantum computation. The uranium based heavyfermion superconductor UTe$_2$ has been argued as a spin-triplet superconductor similar to UGe$_2$, URhGe, and UCoGe, where the superconducting phase is near (or coexists with) a ferromagnetic (FM) instability and spin-triplet electron pairing is driven by FM spin fluctuations. Here we use neutron scattering to show that although UTe$_2$ exhibits no static magnetic order down to 0.3 K, its magnetism is dominated by incommensurate spin fluctuations near antiferromagnetic (AF) ordering wave vector and extends to at least 2.6 meV. We are able to understand the dominant incommensurate spin fluctuations of UTe$_2$ in terms of its electronic structure calculated using a combined density functional and dynamic mean field theory.

연구 동기 및 목표

• UTe₂에서의 자화 변동의 성격과 기원을 규명하는 것, 이는 Tc ≈ 1.6 K인 스핀 트리플렛 초전도체 후보이다.
• 스핀 트리플렛 쌍성에 기대하는 바와 같이, 강자성(FM) 자화 변동이 자성 반응을 지배하는지 확인하는 것.
• ab initio 계산을 통해 관측된 비공명 자화 변동을 UTe₂의 전자 구조와 연결하는 것.
• 자화 변동이 RKKY 상호작용에 기인하는지, 또는 무거운 5f 오비탈의 피어미 표면 낮춤에 기인하는지 명확히 하는 것.
• 비공명 자화 변동이 UTe₂에서 비단순 초전도성의 유도에 어떤 역할을 하는지 규명하는 것.

제안 방법

• 0.3 K에서 12 K까지의 온도에서 단결정 UTe₂에 대해 비탄성 중성자 산란(INS)을 수행하여 자화 변동의 진동수 및 에너지 의존성을 탐색하였다.
• 비탄성 산란에 의한 비탄성 산란 및 보즈 분포 인자 보정을 고려하여, 비공명 진동수 벡터 Q₁ 및 Q₂에서의 동적 자화 수용도 χ′′(E, Q)를 측정하였다.
• 중성자 분광법을 이용해 자화 변동의 성격을 분석하여, 강자성과 반자성 특성을 구분하였다.
• Fermi 표면 및 자화 변동 진동수 벡터를 모델링하기 위해 DFT+DMFT 전자 구조 계산을 수행하였다.
• 계산된 Fermi 표면 낮춤 진동수 및 RKKY 상호작용 진동수를 실험적으로 관측된 Q_IC와 비교하여 주요 기구를 규명하였다.
• χ′′(E)의 온도 의존성을 분석하여 Tc 이하에서의 증폭 여부를 평가하고, 스핀 싱เก트론 초전도체에서 관찰되는 중성자 스핀 공명과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UTe₂에서 자화 변동의 공간적 및 에너지 의존성은 어떻게 되며, 비공명 특성을 보이는가?
• RQ2 스핀 트리플렛 초전도체에 기대하는 바와 같이, UTe₂에서 강자성 자화 변동이 지배적인가?
• RQ3 관측된 비공명 자화 변동의 전자 기원은 무엇인가—RKKY 상호작용인지, 또는 피어미 표면 낮춤인가?
• RQ4 UTe₂의 자화 변동은 Sr₂RuO₄나 URhGe와 같은 다른 스핀 트리플렛 후보와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 비공명 자화 변동이 스핀 트리플렛 초전도성 형성에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• UTe₂는 0.3 K까지도 정적 자성 순서가 관측되지 않아, 그가 파라자성 기저 상태임을 확인하였다.
• 비탄성 중성자 산란은 Q₁ 및 Q₂ 진동수 벡터 근처에 집중된 강한 비공명 자화 변동을 드러내었으며, 이는 반자성 파동수 벡터에 가까운 것으로 확인되었다.
• 자화 변동은 최소 2.6 meV까지 연장되며, 보즈 분포 인자에 따라 변화함을 보여, 이는 집단적인 자성 진동자임을 시사한다.
• Q₁ 및 Q₂에서의 동적 자화 수용도 χ′′(E)는 Tc 이하에서 뚜렷한 증폭을 보이지 않으며, 스핀 싱게트론 초전도체에서 관찰되는 중성자 스핀 공명과 대조된다.
• 강자성 자화 변동은 자성 수용도 데이터에 의해 제안되기는 하나, 크기가 약한 편이며 약 0.7 meV 이상에서 사라지므로, 자화 반응을 지배하지는 않는다.
• DFT+DMFT 계산은 관측된 Q_IC가 U-5f 모멘트 간 RKKY 상호작용에 의해 가장 잘 설명됨을 보여주었으며, 이는 실험적 진동수 벡터와 일치하는 약 ~0.61b*의 운동량 이동을 보였다.