[논문 리뷰] Magnetoresistance oscillations and the half-flux-quantum state in spin-triplet superconductor Sr2RuO4

Xing Cai, Yiqun Ying외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 01.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 스핀 트리플렛 초전도체인 이중 연결된 마이크론 크기의 Sr2RuO4 실린더에서 평면 자기장과 전류 의존 측정을 통해 반자속량 양자 상태를 탐색하기 위해 자성도 진동을 조사한다. 평면 자기장과 전류 의존 측정을 통해 비틀림 진동과 관련된 저항 진동의 증폭을 관찰하였으며, 특정 평면 자기장에서의 곡선 특징을 통해 반자속량 양자 상태의 존재를 시사한다. 특히, 비틀림 진동을 국소화하고 검출 가능한 신호를 증폭시키는 구조적 협착이 있는 샘플에서 이 현상이 두드러지게 나타난다.

ABSTRACT

We report results of our low-temperature magneto electric transport measurements on micron-sized short cylinders of odd-parity, spin-triplet superconductor Sr$_2$RuO$_4$ with the cylinder axis along the $c$ axis. The in-plane magnetic field and measurement current dependent magnetoresistance oscillations were found to feature an amplitude much larger than that expected from the conventional Little-Parks effect, suggesting that the magnetoresistance oscillations originate from vortex crossing. The free-energy barrier that controls the vortex crossing was modulated by the magnetic flux enclosed in the cylinder, the in-plane field, measurement current, and structural factors. Distinct features on magnetoresistance peaks were found, which we argue to be related to the emergence of half-flux quantum states, but only in samples for which the vortex crossing is confined at specific parts of the sample.

연구 동기 및 목표

• 저온 자기전기 운반 측정을 통해 스핀 트리플렛 초전도체인 Sr2RuO4에서 반자속량 양자 상태를 실험적으로 탐색하기.
• 마이크론 크기의 이중 연결된 Sr2RuO4 실린더에서 반자속량 양자 상태가 검출 가능한 조건을 규명하기.
• 평면 자기장, 측정 전류 및 샘플 기하학이 비틀림 진동 역학과 자유 에너지 장벽에 미치는 영향을 이해하기.
• 이전 토크 자화 측정 결과와 자성도 진동 특징을 비교하여 운반 측정을 통한 비정상적 비틀림 진동 상태 검출의 가능성 평가하기.

제안 방법

• Si/SiO2 기판 위에서 기계적 분리 및 집중 이온 비임 (FIB) 패턴링을 통해 마이크론 크기의 이중 연결된 Sr2RuO4 실린더를 제작하였다.
• 정밀한 전류 및 전압 측정을 위해 200 nm의 금( Au)과 10 nm의 티타늄( Ti) 밑층을 사용한 4점 또는 6점 전기 접촉을 적용하였다.
• 냉각된 상태(20 mK)에서 딜루션 냉각기와 초전도체 헬름홀츠 코ils 시스템을 사용하여 평면 자기장 제어를 위한 직접 전류 자성도 측정을 수행하였다.
• 비틀림 진동 역학과 자유 에너지 장벽 조절을 탐색하기 위해 평면 자기장(H||ab)과 측정 전류를 변화시켰다.
• 열적으로 활성화된 비틀림 진동이 자기장 의존 장벽을 넘어선다는 암베고카르-할퍼린 (AH) 모델을 사용하여 저항 진동을 분석하였다.
• 특정 위치에서의 비틀림 진동을 고립하기 위해 구조적 비균일성(예: 협착 또는 약한 연결)과 관측된 저항 특징을 연관시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Sr2RuO4 실린더에서 평면 자기장 하에서 자성도 진동이 반자속량 양자 상태의 특징을 드러낼 수 있는가?
• RQ2 구조적 협착 또는 약한 연결이 비틀림 진동 역학과 비정상적 비틀림 진동 상태의 검출 가능성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 평면 자기장과 측정 전류가 반자속량 양자 상태의 안정화 또는 조절에 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ4 이론적 기대에 비해 토크 자화 측정에서는 반자속량 양자 상태가 더 쉽게 관측되는 데 비해, 자성도 측정에서는 그렇지 않은 이유는 무엇인가?
• RQ5 자기 에너지에 기여하는 운동 에너지와 스핀 궤도 결합 기여가 반자속량 양자 상태의 안정성과 관측 가능성에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 자성도 진동의 진폭은 전통적인 리틀-파크스 효과에 기대하는 것보다 크게 나타나, 비틀림 진동이 주요 기구임을 시사한다.
• 저항 진동에서 400 Oe 및 600 Oe의 평면 자기장에서 곡선 특징이 관측되어, 국소화된 비틀림 진동 역학을 가진 샘플에서 반자속량 양자 상태의 존재를 시사한다.
• 협착이 있는 샘플에서는 1000 Oe에서 저항 곡선이 나타나, 반자속량 양자 상태 안정화에 대한 이론적 예측과 일치한다.
• 약 23.7 Oe의 진동 주기는 효과적인 반경 527 nm에 해당하며, SEM 측정 반경보다 작아, 자기장 스크리닝 또는 표면 효과를 시사한다.
• 실린더 끝부분 간 약 10 µA의 임계 전류 차이가 관측되어, 비틀림 진동의 비대칭적 침투 또는 약한 연결을 나타낸다.
• AH 모델 피팅 결과, 영온도에서의 침투 깊이가 부피 값보다 더 크며, 토크 측정에서 관측된 자기모멘트 감소와 일치하여 비정상적 비틀림 진동 상태 존재를 지지한다.