[논문 리뷰] Texture in the Superconducting Order Parameter of CeCoIn_5 Revealed by Nuclear Magnetic Resonance

Kakuyanagi, K., Saito, M.외 5명|arXiv (Cornell University)|2004. 05. 28.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 115In 핵자기공명(NMR)를 사용하여 중성자-페르미온 초전도체 CeCoIn5에서 풀데-페르렐-라르킨-오프친니코프(FFLO) 상태에 대한 최초의 미시적 증거를 제시한다. T*(H) 이하에서 더 높은 주파수에서 새로운 NMR 공명선이 나타나며, 이는 공간적으로 조화를 이룬 초전도 상태 파라미터와 국소화된 준입자 상태를 나타내며, 온도에 따라 감소하는 진동하는 초전도 상태 파라미터 파장과 일치하는 스펙트럼 변화를 보인다.

ABSTRACT

We present a ^{115}In NMR study of the quasi two-dimensional heavy-fermion superconductor CeCoIn_5 believed to host a Fulde-Ferrel-Larkin-Ovchinnkov (FFLO) state. In the vicinity of the upper critical field and with a magnetic field applied parallel to the ab-plane, the NMR spectrum exhibits a dramatic change below T*(H) which well coincides with the position of reported anomalies in specific heat and ultrasound velocity. We argue that our results provide the first microscopic evidence for the occurrence of a spatially modulated superconducting order parameter expected in a FFLO state. The NMR spectrum also implies an anomalous electronic structure of vortex cores.

연구 동기 및 목표

• 고자기장 조건 하에서 CeCoIn5의 공간적으로 비균일한 초전도 상태 존재에 대한 직접적인 미시적 증거를 제공하기 위해.
• Hc2∥ab 근처의 고자기장 초전도 상태에서 T*(H) 이하에서 준입자 에너지 스펙트럼을 조사하기 위해.
• 관측된 NMR 스펙트럼 변화가 제안된 FFLO 상태와 비틀림 핵의 이례성과 관련이 있는지 확인하기 위해.
• CeCoIn5의 비틀림 핵의 전자 구조를 조사하여 일반적인 초전도체와 대비하기 위해.

제안 방법

• Hc2∥ab 근처에서 ab 평면에 평행한 자기장이 작용하는 단일결정 CeCoIn5에서 115In NMR 측정을 수행하였다.
• Hc2∥ab에 매우 가까운 자기장에서 초전도 상태의 온도 의존적 NMR 스펙트럼을 측정하였으며, 특히 T*(H) 이하 영역에 집중하였다.
• 공간적으로 진동하는 초전도 상태 파라미터(q ∼ 2μBH/ℏvF)를 가진 d파동 초전도체의 이론 모델을 사용하여 NMR 스펙트럼을 시뮬레이션하였다.
• 비균일성 효과를 고려하기 위해 띠형 넓이(Lorentzian broadening)를 포함한 공식을 사용하여 실험적 NMR 스펙트럼을 피팅하였다. 이 공식에는 위상 길이와 진동 파장 벡터의 비율(Λ/λ)과 T/Δ0가 포함되어 있었다.
• Knight 이동과 선형형태 분석을 통해 초전도 상태에서 준입자 밀도와 공간 비균일성을 추론하였다.
• FFLO 상태 예측과 일반 초전도체의 특성을 비교하여 비틀림 핵의 구조적 이질성을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Hc2∥ab 근처에서 CeCoIn5의 NMR 스펙트럼은 FFLO 상태에서 예측한 바와 같이 공간적으로 조화를 이룬 초전도 상태 파라미터의 징후를 보이는가?
• RQ2 T*(H) 이하의 고자기장 초전도 상태에서 준입자 에너지 스펙트럼의 성격은 무엇이며, 일반 초전도체와 어떻게 다를까?
• RQ3 NMR 선형형태와 Knight 이동을 바탕으로 볼 때, CeCoIn5의 비틀림 핵은 일반 초전도체와 어떻게 다를까?
• RQ4 온도에 따른 관측된 스펙트럼 변화는 d파동 초전도체에서의 FFLO 상태 이론 예측과 일치하는가?
• RQ5 강한 전자 상호작용과 반자성 플럭추에이션은 비틀림 핵과 준입자 스펙트럼 형성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• T*(H) 이하에서 더 높은 주파수에서 새로운 NMR 공명선이 나타나며, 이는 초전도 상태 내에서 별개의 정상 상태 준입자 영역이 형성되었음을 나타낸다.
• 온도에 따른 NMR 스펙트럼 변화는 공간적으로 진동하는 초전도 상태 파라미터를 가정한 모델에 의해 잘 재현되며, 이는 FFLO 상태와 일치한다. 파라미터의 진동 파장은 q ∼ 2μBH/ℏvF이다.
• Λ/λ 비율(위상 길이 대 진동 파장 벡터)은 240 mK에서 4.7에서 260 mK에서 7.5로 증가하여, 온도가 내려갈수록 초전도 상태 파라미터 진동의 공간 주기가 감소함을 나타낸다.
• 더 높은 주파수의 NMR 선의 강도는 새로 형성된 정상 준입자 면이 전체 부피의 몇 퍼센트 미만을 占지하고 있음을 시사하며, 이는 공간적 국소화를 의미한다.
• 두 개의 잘 분리된 NMR 선은 평면 노드 근처의 준입자 진동이 공간적으로 국소화되어 있음을 시사하며, 이는 사인파 진동이 아닌 블로흐 벽 유사 또는 직사각형 형태의 공간적 변화를 가진 초전도 상태 파라미터를 의미한다.
• 비틀림 핵의 구조는 이례적이다: 핵 내부의 Knight 이동은 정상 상태 값에서 벗어나 있으며, 일반 초전도체와는 다름없는 전자 상태를 나타내며, 강한 반자성 상호작용과 준입자 밀도 상태의 감소로 인해 발생할 가능성이 높다.