[논문 리뷰] Spontaneously polarized half-gapped superconductivity

Sheng Ran, Chris Eckberg외 9명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 28.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 88

한 줄 요약

이 논문은 UTe2에서 비단위의 스핀-삼중 초전도성을 보고하며, 전자의 절반이 갇히지 않은 상태의 스핀편극 초전도 상태, 극적으로 크고 이방성인 Hc2, Tc 이하에서 일정하게 유지되는 Knight shift로 입증된 스핀-삼중 짝짓기를 특징으로 한다.

ABSTRACT

Nonunitary superconductivity is a rare and striking phenomenon in which spin up and spin down electrons segregate into two different quantum condensates. Because they support topological excitations, such superconductors are being seriously considered for potential quantum information applications. We report the discovery of nonunitary spin-triplet superconductivity in UTe2, featuring the high transition temperature of 1.6 K and a remarkably large and anisotropic upper critical field exceeding 40 T. In this unusual superconducting state, electrons with parallel spins pair, yet only half of the available electrons participate, yielding a spin-polarized condensate that coexists with a spin-polarized metal. The superconducting order parameter, which breaks both gauge and time reversal symmetries, arises from strong ferromagnetic fluctuations, placing UTe2 as the paramagnetic end member of the ferromagnetic superconductor series. This discovery yields a new platform for encoding information using topological excitations and for manipulation of spinpolarized currents.

연구 동기 및 목표

• 비상paramagnetic 시스템에서 비단위 삼중 초전도성 및 자연스러운 시간 반전 대칭 파손 탐색의 동기를 제시한다.
• UTe2가 전자 상태의 절반이 갇히지 않은 스핀-편극 초전도 상태를 호스팅한다는 것을 보여준다.
• 초전도 상태와 정상 상태의 특성을 특징지어 페로자성 파동에 의해 매개된 삼중 짝짓기를 확립한다.

제안 방법

• 단결정 UTe2를 합성하고 구조를 X선 및 중성자 회절로 특성화한다.
• 전기 저항, 자화, 특이열용량(특히 125Te Knight shift 포함)을 측정하여 초전도 및 정상 상태의 특성을 탐 probing한다.
• 세 결정학 축을 따라 상한 임계장 Hc2를 분석하고 궤도 한계 및 자기 한계와 비교한다.
• 자기 정렬 이론 Belitz-Kirkpatrick-Vojta에 의한 자화의 규모화를 활용하여 양자 임계 페롭기 파동을 드러낸다.
• 데이터를 해석하여 불균일한 간극과 고유한 스핀 편집을 가지는 비단위 이항 삼중 차수 모드 파를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UTe2가 외부 자기 질서 없이 자발적으로 비단위 스핀-삼중 초전도성을 갖는가?
• RQ2 초전도 상태가 서로 다른 크기의 두 간극(반갇힘)과 고유한 스핀 편집에 의해 특징지어지는가?
• RQ3 Hc2의 거동 및 규모화 분석으로 페로자성 스핀 음량이 짝짓기를 매개하는가?
• RQ4 Knight shift가 Tc 아래에서 일정하게 남아 스핀-삼중 짝짓기에 부합하는가?
• RQ5 정상 상태의 특성(양자 임계 페로자성, 무거운 페르미 액체 거동)이 초전도 상태와 어떤 관계가 있는가?

주요 결과

• Tc = 1.6 K, b축을 따라 Hc2가 40 T를 초과하는 높은 이방성.
• Hc2가 궤도 한계 및 자기 한계 모두를 크게 웃돌며 특히 b축 방향에서 스핀-삼중 짝짓기를 시사한다.
• 초전도 상태에서 남아 있는 전자 상태의 밀도는 크며(γ0 = 55 mJ/mol-K^2), 전자의 절반이 갇히지 않은 상태를 시사한다.
• Tc 이하에서 C(T)가 거듭제곱 법칙(n ≈ 3.2)을 따르며 비단위 짝짓기에 부합하는 점 결정을 시사한다.
• 125Te NMR Knight shift가 Tc를 통과해 온도에 무관하게 유지되어 스핀-삼중 짝짓기를 뒷받침한다.
• 자화 데이터가 Belitz-Kirkpatrick-Vojta 양자 임계 페로자자성에 일치하는 스케일링을 보이며, 페로자성 파동에 의해 짝짓기가 매개된 가능성을 시사한다.
• 관찰과 일치하는 가장 단순한 짝짓기 대칭은 두 스핀 채널 간의 간극이 다르고 비단위인 삼중 상태로서 스핀 편극된 초전도 응축물을 만들어낸다.