[논문 리뷰] The fate of time-reversal symmetry breaking in UTe2

M. O. Ajeesh, M M Bordelon외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 30.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 화학 기상 증착(CVT) 및 용융염 유도법(MSF)을 통해 제작된 고순도 단일결정을 이용해 초전도체 UTe2에서 시간역행 대칭 붕괴를 폴라라이제이션 킬러 효과(PKE) 측정을 통해 조사한다. 이전 연구에서 자기장에 의해 유도되는 킬러 신호의 증거가 있었음에도 불구하고, 저자들은 자발적인 킬러 각도 변화가 영자기장에서 관측되지 않음을 확인하여 초전도 상태가 시간역행 대칭을 내재적으로 붕괴하지 않음을 시사한다. 대신 관측된 자기장 유도 신호는 비균일한 자성 영역에서 기인하며, 초전도 주기수의 대칭 붕괴가 공간적으로 변화하는 비회전성 다성분 상태임을 제약한다.

ABSTRACT

Topological superconductivity is a long-sought state of matter in bulk materials, and odd-parity superconductor UTe$_2$ is a prime candidate. The recent observation of a field-trainable spontaneous Kerr signal in UTe$_2$ at the onset of superconductivity provides strong evidence that the superconducting order parameter is multicomponent and breaks time-reversal symmetry. Here, we perform Kerr effect measurements on a number of UTe$_2$ samples -- grown $via$ both chemical vapor transport and the molten-salt-flux methods -- that show a single superconducting transition between 1.6~K and 2.1~K. Our results show no evidence for a spontaneous Kerr signal in zero field measurements. This implies that the superconducting state of UTe$_2$ does not intrinsically break time-reversal symmetry. Instead, we observe a field-trainable signal that varies in magnitude between samples and between different locations on a single sample, which is a sign of inhomogeneous magnetic regions. Our results provide an examination of representative UTe$_2$ samples and place strong constraints on the superconducting order parameter of UTe$_2$.

연구 동기 및 목표

• 고순도 단일결정에서 UTe2 초전도 상태가 시간역행 대칭을 내재적으로 붕괴하는지 여부를 규명하는 것.
• 단일 또는 이중 초전도 전이를 보이는 샘플 간의 모순된 자발 킬러 효과 보고를 해결하는 것.
• 샘플의 비균일성과 자성 비균일성이 자기장에 의해 유도되는 킬러 신호를 생성하는 데 미치는 영향을 조사하는 것.
• 영자기장 및 자기장 냉각 PKE 측정을 통해 UTe2의 초전도 주기수 대칭을 제약하는 것.

제안 방법

• 1550 nm 파장의 섬유 기반 영역이 없는 사간 앙지오메터를 이용한 폴라라이제이션 킬러 효과(PKE) 측정을 수행하였다.
• 초전도 전이 온도(Tc) 이하에서 자발적 PKE의 발생을 조사하기 위해 열펄스 실험을 실시하여 샘플을 일시적으로 Tc 이상으로 가열하고 냉각 중 킬러 각도 변화를 측정하였다.
• 냉각 중 자기장을 적용하고 가열 중 자기장을 제거한 조건에서 자기장 냉각, 영자기장 가열 PKE 측정을 실시하여 자기장에 의해 유도되는 킬러 효과를 조사하였다.
• 샘플는 단열 탈자기 냉각기에 기저 온도까지 냉각되었으며, 네점 저항측정을 통해 Tc와 잔류 저항비(RRR)를 결정하였다.
• 표면 효과를 평가하기 위해 다듬어진 표면과 그대로의 표면에서 광학 측정을 실시하였으며, 유의미한 차이는 관측되지 않았다.
• 잔류 자기장(<±5 Oe) 보정을 위해 킬러 데이터에서 소량의 오프셋을 제거하였으며, 이는 Tc 이상에서 알려진 자기장-킬러 반응으로 확인되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UTe2에서 시간역행 대칭 붕괴를 내재적으로 확인하기 위해 영자기장에서 자발적인 킬러 각도 변화가 관측되는가?
• RQ2 이전 연구에서 관측된 자기장에 의해 유도되는 킬러 신호는 내재적인 회전성 초전도 상태에서 기인하는가, 아니면 외재적인 비균일성에서 기인하는가?
• RQ3 화학 기상 증착(CVT) 대비 용융염 유도법(MSF)을 이용한 샘플 성장 방법과 샘플 품질(RRR, Tc)이 킬러 신호의 존재 및 크기에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 뮤온 스핀 공명으로 검출된 비균일한 자성 영역이 UTe2에서 관측된 킬러 반응과 어느 정도 관련이 있는가?
• RQ5 UTe2의 초전도 주기수는 진정으로 다성분이고 회전성이 있는가, 아니면 공간적으로 변화하는 대칭 붕괴의 결과인가?

주요 결과

• 모든 UTe2 샘플에서 영자기장 PKE 측정에서 자발적인 킬러 각도 변화가 관측되지 않아, 초전도 상태에서 시간역행 대칭이 내재적으로 붕괴되지 않음을 시사한다.
• 자기장에 의해 유도되는 킬러 신호는 관측되었지만, 그 크기는 샘플 간 및 한 샘플 내 다양한 위치에서 크게 달라지며, 공간적 비균일성을 나타낸다.
• 자기장에 의해 유도되는 신호는 균일한 회전성 초전도 주기수 대칭이 아닌, 비균일한 자성 영역에서 기인한다.
• 용융염 유도법(MSF)으로 제작된 샘플는 높은 품질(RRR 최대 400–1000)과 1.6 K에서 2.1 K 사이의 단일 초전도 전이를 보였지만, 여전히 자발적인 킬러 효과를 나타내지 않았다.
• 고순도, 단일 전이 샘플에서 자발적 킬러 신호가 관측되지 않음으로써, 이전 결과가 내재적인 회전성 초전도성의 증거로 해석되는 것이 도전받는다.
• 결과는 초전도 주기수에 대해 강력한 제약을 가하며, 이는 B3u + iB2u 상태가 아니며, 대신 공간적으로 변화하는 대칭 붕괴를 보이는 비회전성 다성분 상태임을 시사한다.