[논문 리뷰] Point Node Gap Structure of Spin-Triplet Superconductor UTe2

Tristin Metz, Seokjin Bae외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 02.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 열전도도, 자기 침투 깊이 및 열용량 측정을 종합적으로 수행하여 UTe2가 초전도 갭에 점 노드를 가진 스핀 트리플렛 초전도 상태를 나타냄을 규명하였다. 영구자기장에서 잔류 열전도도가 극히 작고, 침투 깊이의 온도 제곱 의존성은 점 노드에 해당하는 저에너지 준입자 상태를 뒷받침하며, 비정상적인 열용량을 설명하는 양자临계 기여는 밀도 상태를 설명하고 엔트로피 균형을 복원하며 초전도 상태에서 T³ 전자 열용량을 지지한다.

ABSTRACT

Low-temperature electrical and thermal transport, magnetic penetration depth, and heat capacity measurements were performed on single crystals of the actinide superconductor UTe2 to determine the structure of the superconducting energy gap. Heat transport measurements performed with currents directed along both crystallographic a- and b-axes reveal a vanishingly small residual fermionic component of the thermal conductivity. The magnetic field dependence of the residual term follows a rapid, quasi-linear increase consistent with the presence of nodal quasiparticles, rising toward the a-axis upper critical field where the Wiedemann-Franz law is recovered. Together with a quadratic temperature dependence of the magnetic penetration depth up to T/T_c=0.3, these measurements provide evidence for an unconventional spin-triplet superconducting order parameter with point nodes. Millikelvin specific heat measurements performed on the same crystals used for thermal transport reveal an upturn below 300 mK that is well described by a divergent quantum-critical contribution to the density of states (DOS). Modeling this contribution with a T^{-1/3} power law allows restoration of the full entropy balance in the superconducting state and a resultant cubic power law for the electronic DOS below T_c, consistent with the point-node gap structure determined by thermal conductivity and penetration depth measurements.

연구 동기 및 목표

• 우리드리늄 초전도체 UTe2의 초전도 갭 구조를 규명하기 위해, 공존하는 강한 자화성 불안정성과 비국소적 초전도성의 특성을 고려한다.
• 기존의 열용량 측정에서 오랫동안 지속된 모순을 해결하기 위해, 정상 상태의 50%에 이르는 큰 잔류 전자 열용량 항이 비쌍체 유체를 암시하는 데 반해 엔트로피 균형을 위협한다는 점을 다룬다.
• 열전도도에서 검출되지 않는 페르미 입자 기여와 충돌하는 잔류 T선형 항에 대한 해석을 조율한다.
• 고상 임계 자기장과 초전도 전이 시 코hen 이동 변화가 관측되지 않는 점을 감안할 때, UTe2의 초전도 상태가 스핀 트리플렛 쌍성과 노드 갭 대칭성과 일치하는지 규명한다.

제안 방법

• 전류를 a-축 및 b-축에 따라 가한 단일 결정 UTe2에서 열전도도 측정을 수행하여 준입자 상태의 방향성 이방성을 분석하였다.
• 온도에 따른 자기 침투 깊이 측정(최대 T/Tc = 0.3)을 통해 초전도 갭의 온도 의존성을 평가하였으며, T² 의존성은 노드 구조를 나타낸다.
• 열전도도에 사용된 동일한 결정에서 밀리켈빈 온도 범위의 열용량 측정을 수행하여 저온 행동을 분석하고 비음향 기여를 식별하였다.
• C/T의 저온 상승에 T⁻¹/³ 형태의 비율 수렴을 피팅하여 밀도 상태에 대한 양자임계 기여를 모델링하였다.
• 엔트로피 균형을 확보하기 위해 Tc를 조정하여 초전도 상태와 정상 상태에서 C_el/T의 적분이 일치하도록 하였으며, 추출된 전자 열용량을 검증하였다.
• D2H 점군 대칭 기반 이론 모델링을 통해 가능한 쌍성 채널을 제약하였으며, 스핀 트리플렛 쌍성과 점 노드를 지지하는 데 기여하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UTe2에서 관측된 잔류 T선형 항은 비쌍체 유체에서 기인하는가, 아니면 밀도 상태에 대한 발산하는 양자임계 기여에서 기인하는가?
• RQ2 왜 영구자기장에서 잔류 열전도도는 극히 작지만, 큰 잔류 열용량 항이 존재하는가?
• RQ3 UTe2의 초전도 갭 대칭성은 무엇이며, 스핀 트리플렛 쌍성과 일치하는 점 노드를 지닌다 할 수 있는가?
• RQ4 정상 상태와 초전도 상태 간의 명백한 엔트로피 불균형은 관측된 열 및 전도 특성과 어떻게 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ5 자기 침투 깊이의 관측된 온도 제곱 의존성은 노드 갭 구조와 일치하는가? 이는 노드의 정렬 방향에 대해 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 영구자기장에서의 잔류 페르미 입자 열전도도는 극히 작아, 비쌍체 준입자나 비단위 쌍성 상태의 존재를 배제한다.
• 잔류 열전도도의 자기장 의존성은 빠르고 거의 선형적인 증가를 보이며, 노드 준입자의 발생과 Wiedemann-Franz 법칙의 복귀를 지지한다.
• 자기 침투 깊이는 T/Tc = 0.3까지 온도 제곱 의존성(Δλ(T) ∝ T²)을 보이며, 이는 초전도 갭에 점 노드가 존재함을 나타내는 상징적 특징이다.
• 저온 열용량은 300 mK 이하에서 급격한 상승을 보이며, T⁻¹/³ 비율 수렴에 의해 잘 기술되며, 이는 밀도 상태에 양자임계 기여가 있음을 암시한다.
• 발산하는 양자임계 항을 제거한 후, 초전도 상태에서 전자 열용량은 T² 의존성을 보이며, 이는 점 노드 갭 구조와 완전한 엔트로피 균형을 지지한다.
• 종합적 분석을 통해 정상 상태와 초전도 상태 간의 엔트로피 균형이 복원되었으며, 전자 밀도 상태에 대한 세제곱 비율 법칙(DOS ∝ T²)이 확인되어, ab-면에서 스핀 트리플렛 쌍성과 점 노드를 지지한다.