[논문 리뷰] Stability of a Nonunitary Triplet Pairing on the Border of Magnetism in UTe$_2$

Andriy H. Nevidomskyy|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 08.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 페로자성의 양자临계점 근처에서 장거리 자화 순서가 없더라도 결정학적 a축을 따라 점 노드를 가진 비단위 삼중항 초전도 상태가 UTe₂에서 안정화됨을 제안한다. 대칭 분석, BCS 이론 및 f-전자를 배제한 처음부터 계산된 DFT 계산을 통해 저자들은 이 상태가 STM에서 관측된 캐릭터리스틱 에지 모드, 고자기장에서의 재진입 초전도성, 비영인 광자-자기 Kerr 효과를 설명하며, 열전도도 데이터와 일치하는 노드 구조를 가짐을 보여준다.

ABSTRACT

Motivated by the recent discovery of superconductivity in UTe$_2$, we analyze the stability and nodal structure of various triplet superconducting order parameters. Using a combination of symmetry group-theoretical analysis, phenomenological Landau free energy and weak-coupling BCS theory, we show that chiral nonunitary superconducting order can be stabilized on the border of ferromagnetism in UTe$_2$, even in the absence of long-range magnetic order. We further perform first principles density functional theory (DFT) calculations of the so-called "small" Fermi surface, excluding the contribution of U $f$-electrons, and find it to be in excellent agreement with the recent angular resolved photoemission study and DFT+DMFT calculations. This permits us to elucidate the nodal structure of the superconducting gap, which we find generically to possess point nodes along the crystallographic $a$ direction, in agreement with experiments. The topological stability of these point nodes and their associated Majorana surface states is analyzed. The nonunitary structure of the predicted superconducting state supports chiral edge modes observed in recent scanning tunneling microscopy (STM) data and is predicted to result in a non-vanishing magneto-optical Kerr effect.

연구 동기 및 목표

• UTe₂에서 관측된 시간역전대칭 위반과 D₂h 점군 대칭으로 인해 단위 초전도성 쌍이 기대되는 것 사이의 갈등을 해결하기 위해.
• 장거리 자화 순서가 없더라도 초전도성과 페로자성에 가까운 상태가 공존하는 UTe₂의 메커니즘을 설명하기 위해.
• DFT 계산(절연체)과 실험(금속성) 간의 괴리를 해결하기 위해 f-전자를 배제한 '작은' 피에르 표면을 분석함으로써.
• 최근의 STM 및 열전도도 측정과 일치하는 초전도 갭의 노드 구조와 그 위상적 안정성에 대해 규명하기 위해.
• 비단위 상태의 측정 가능한 서명, 예를 들어 비영인 광자-자기 Kerr 효과 및 캐릭터리스틱 에지 모드를 예측하기 위해.

제안 방법

• D₂h 점군 내의 기저 표현의 군 이론적 분석을 수행하여 가능한 초전도 상태 매개변수를 평가한다.
• 현상학적 Landau 자유 에너지 이론을 적용하여 페로자성 양자临계점 근처에서 비단위 삼중항 쌍성의 안정성을 평가한다.
• 약결합 BCS 이론을 사용하여 초전도 갭의 d-벡터 구조를 모델링하며, 스핀-오비트 결합과 캐릭터리스틱 쌍성의 영향를 포함한다.
• f-전자 기여를 배제한 '작은' 피에르 표면에 대한 처음부터 계산된 DFT 계산을 수행하여 실험적 피에르 표면도와 일치시킨다.
• 수득한 피에르 표면을 ARPES 및 DFT+DMFT 결과와 비교하여 모델의 타당성을 검증한다.
• d-벡터 형태 Δ(k) = i(dₖ·σ)σ₂를 사용하여 갭의 노드 구조와 위상적 안정성을 분석하고, 자기장 하에서 궤도 모멘트 반응을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 D₂h 점군이 1차원 표현만 허용하는 바에 불구하고, UTe₂에서 비단위 삼중항 초전도 상태가 안정화될 수 있는가?
• RQ2 장거리 순서가 없더라도 페로자성 순서에 가까운 상태가 시간역전대칭 위반 초전도 상태를 어떻게 안정화하는가?
• RQ3 초전도 갭의 노드 구조는 무엇이며, 열전도도 및 침투 깊이의 온도에 대한 거듭제곱 법칙 의존성과 어떻게 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ4 왜 DFT 계산은 절연체 상태를 예측하지만 실험에서는 금속적 행동을 관측하는가? 이는 어떻게 해결할 수 있는가?
• RQ5 예측된 비단위 쌍성으로부터 측정 가능한 실험적 서명, 예를 들어 광자-자기 Kerr 효과 또는 캐릭터리스틱 에지 모드는 무엇인가?

주요 결과

• 페로자성 양자临계점 근처에서, 장거리 자화 순서가 없더라도 캐릭터리스틱 비단위 삼중항 초전도 상태가 UTe₂에서 에너적으로 유리하게 안정화된다.
• 초전도 갭은 결정학적 a축을 따라 점 노드를 가지며, 열전도도 및 침투 깊이의 온도에 대한 거듭제곱 법칙 의존성과 일치한다.
• f-전자 기여를 배제한 계산된 '작은' 피에르 표면은 ARPES 및 DFT+DMFT 결과와 우수한 일치를 보이며, 모델의 타당성을 검증한다.
• 비단위 상태는 위상적으로 보호된 마요라나 표면 상태와 캐릭터리스틱 에지 전류를 지지하며, 최근의 STM 관측에서 관측된 캐릭터리스틱 에지 모드와 일치한다.
• 이 상태는 시간역전대칭을 위반하여 비영인 광자-자기 Kerr 효과를 유도하며, 직접적인 실험적 서명을 제공한다.
• 고자기장은 코페어 쌍의 궤도 모멘트를 균일하게 하여 비단위 상태를 안정화시키며, 고자기장에서 관측된 재진입 초전도성을 설명한다.