[논문 리뷰] Magnetoresistance oscillation study of the half-quantum vortex in doubly connected mesoscopic superconducting cylinders of Sr2RuO4

Xinxin Cai, Brian Zakrzewski외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 29.

Advanced Condensed Matter Physics참고 문헌 48인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 저온에서 메조스코픽 이중연결 구조의 Sr2RuO4 실린더에서 자기저항 진동 측정을 수행하여, 큰 면내 자기장과 고전류 조건 하에서 반량자 환류(이하 HQV)의 직접적 증거를 제시한다. MR 진동에서 관측된 곡선의 굴곡과 제2 최고점은 열적으로 활성화된 환류가 자기장 조절된 자유 에너지 장벽을 넘는 것으로 설명되며, 이는 HQV 형성, 플럭스로이드 포획, 전류에 의존하는 스핀 균형을 확인한다. 이는 Sr2RuO4에서 스핀 삼중성 쌍성의 증거를 강화하고, HQV의 안정성과 역학에 대한 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

The observation of the highly unusual half-quantum vortex (HQV) in a single crystalline superconductor excludes unequivocally the spin-singlet symmetry of the superconducting order parameter. HQVs were observed previously in mesoscopic samples of Sr2RuO4 in cantilever torque magnetometry measurements, thus providing direct evidence for spin-triplet pairing in the material. In addition, it raised important questions on HQV, including its stability and dynamics. These issues have remained largely unexplored, in particular, experimentally. We report in this paper the detection of HQVs in mesoscopic, doubly connected cylinders of single-crystalline Sr2RuO4 of a mesoscopic size and the examination of the effect of the in-plane magnetic field needed for the observation of the HQV by magnetoresistance (MR) oscillations measurements. Several distinct features found in our data, especially a dip and secondary peaks in the MR oscillations seen only in the presence of a sufficiently large in-plane magnetic field as well as a large measurement current, are linked to the formation of the HQV fluxoid state in and crossing of an Abrikosov HQV through the sample. The conclusion is drawn from the analysis of our data using a model of thermally activated vortex crossing overcoming a free-energy barrier which is modulated by the applied magnetic flux enclosed in the cylinder as well as the measurement current. Evidence for the trapping of an HQV fluxoid state in the sample was also found. Our observation of the HQV in mesoscopic Sr2RuO4 provided not only additional evidence for spin-triplet superconductivity in Sr2RuO4 but also insights into the physics of HQV, including its spontaneous spin polarization, stability, and dynamics. Our study also revealed a possible effect of the measurement current on the magnitude of the spontaneous spin polarization associated with the HQV.

연구 동기 및 목표

• 메조스코픽 이중연결 구조의 Sr2RuO4 초전도체 실린더에서 반량자 환류(HQV)의 존재와 역학을 실험적으로 탐색하기.
• 면내 자기장과 측정 전류가 자기저항(MR) 진동을 통한 HQV의 안정화 및 탐지에 미치는 영향을 조사하기.
• HQV의 안정성과 역학, 특히 플럭스로이드 포획과 열적으로 활성화된 환류를 고려하기.
• HQV 형성과 자발적 스핀 균형 간의 관계, 특히 측정 전류에 대한 의존성 탐구하기.
• 기하학적 조건에서 위상 환류가 예측되는 환경에서 HQV의 서명을 관측함으로써 Sr2RuO4에서 스핀 삼중성 쌍성에 대한 추가 증거 제공하기.

제안 방법

• 저온에서 단일결정 메조스코픽 이중연결 Sr2RuO4 실린더에서 자기저항(MR) 진동 측정 수행.
• 큰 면내 자기장을 적용하여 HQV를 유도하고 안정화하며, 실린더를 관통하는 자기율이 환류 통과에 대한 자유 에너지 장벽을 조절함.
• 자기장과 전류에 의해 조절되는 자유 에너지 장벽을 넘는 열적으로 활성화된 환류 모델을 사용하여 MR 진동 특징을 해석함.
• 특징적인 곡선의 굴곡과 제2 최고점과 같은 서명을 분석하여 HQV 플럭스로이드 상태 형성과 환류 통과를 확인함.
• 관측된 특징을 반량자 환류(플럭스로이드 = Φ₀/2)의 존재와 그 샘플 내 역학과 연관지어 분석함.
• 환류 통과와 양자화된 플럭스로이드 상태 및 스핀 균형을 연결하는 이론적 프레임워크를 활용하여 스핀 삼중성 쌍성과 일치함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 큰 면내 자기장 조건 하에서 메조스코픽 이중연결 Sr2RuO4 실린더에서 반량자 환류(HQV)가 형성되고 안정적으로 유지되는가?
• RQ2 HQV 형성과 샘플 통과와 관련된 특정 자기저항 진동 특징은 무엇인가?
• RQ3 측정 전류는 HQV의 역학과 스핀 균형에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 자기장과 전류에 의해 조절되는 자유 에너지 장벽을 고려한 열적으로 활성화된 환류 모델이 관측된 MR 진동을 설명할 수 있는가?
• RQ5 HQV 플럭스로이드 상태의 포획에 대한 증거는 무엇이며, 이는 Sr2RuO4에서 스핀 삼중성 쌍성 대칭과 어떤 관계가 있는가?

주요 결과

• 충분히 큰 면내 자기장과 고전류 조건에서만 특징적인 MR 진동 특징—굴곡과 제2 최고점—이 관측되어 HQV 플럭스로이드 상태 형성의 증거로 간주됨.
• 관측된 MR 특징은 봉쇄된 자기장과 측정 전류에 의해 조절되는 자유 에너지 장벽을 넘는 열적으로 활성화된 환류의 서명으로 해석됨.
• HQV 플럭스로이드 상태의 포획에 대한 증거를 확보하여 환류 구조의 위상적 안정성을 확인함.
• 메조스코픽 Sr2RuO4에서 반량자 환류의 존재를 뒷받침하는 분석 결과가 도출되었으며, c축 방향의 d벡터를 가진 스핀 삼중성 쌍성에 대한 추가 실험적 확인을 제공함.
• 자기장에 의존하는 자발적 스핀 균형의 가능성이 관측되어 HQV에서 조절 가능한 스핀 자유도가 존재할 수 있음을 시사함.
• 결과는 Sr2RuO4와 초유체 3He 사이의 유사성을 강화하며, 특히 기하적 제약 조건 하에서 위상 환류의 관계를 강조함.