[논문 리뷰] Visualizing the melting of the charge density wave in UTe2 by generation of pairs of topological defects with opposite winding

Anuva Aishwarya, Julian May-Mann외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 15.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 턨널링 현미경을 사용하여 UTe2에서 중력자기장이 전하 밀도파(CDW)의 융해를 유도하는 방식을 시각화한다. 이 과정에서 상반된 위상 감도를 가진 토폴로지 결함 쌍이 생성되며, 이는 CDW 진폭의 감소와 관련이 있다. 자기장 증가에 따라 결함 수가 증가하며, 이는 초전도체와 쌍 밀도파 바이러스가 CDW 결함을 생성하는 진동자 모델을 지지한다. 이는 UTe2 표면에 존재하는 부모 쌍 밀도파 순서를 시사한다.

ABSTRACT

Topological defects are singularities in an ordered phase that can have a profound effect on phase transitions and serve as a window into the order parameter. In this work we use scanning tunneling microscopy to visualize the role of topological defects in the novel magnetic field induced disappearance of an intertwined charge density wave (CDW) in the heavy fermion superconductor, UTe2. By simultaneously imaging the amplitude and phase of the CDW order, we reveal pairs of topological defects with positive and negative phase winding. The pairs are directly correlated with a zero CDW amplitude and increase in number with increasing magnetic field. These observations can be captured by a Ginzburg Landau model of a uniform superconductor coexisting with a pair density wave. A magnetic field generates vortices of the superconducting and pair density wave order which can create topological defects in the CDW and induce the experimentally observed melting of the CDW at the upper critical field. Our work reveals the important role of magnetic field generated topological defects in the melting the CDW order parameter in UTe2 and provides support for the existence of a parent pair density wave order on the surface of UTe2.

연구 동기 및 목표

• 중성자량 초전도체인 UTe2에서 자기장에 의해 유도된 전하 밀도파(CDW)의 소멸 메커니즘을 이해하는 것.
• 토폴로지 결함이 CDW 융해 전이에 미치는 역할을 조사하는 것.
• 관측된 CDW 융해가 공존하는 쌍 밀도파(PDW) 순서에서 유래한 바이러스에 의해 유도되는지 확인하는 것.
• 상반된 감도를 가진 토폴로지 결함가 CDW 순서 매개변수 억제의 징후임을 가설화하는 것.

제안 방법

• 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 사용하여 UTe2에서 CDW 순서의 진폭과 위상을 동시에 영상화하였다.
• 위상 민감도 STM 측정을 통해 양성 및 음성 위상 감도를 가진 토폴로지 결함을 직접 시각화할 수 있었다.
• 상한 임계 자기장 범위에서 결함 밀도와 CDW 진폭의 자기장 의존성을 체계적으로 맵핑하였다.
• 초전도체와 쌍 밀도파 순서가 공존하는 상황을 기술하기 위해 기진부르크-랜더(Ginzburg-Landau) 모델을 적용하였다. 이 모델에서 바이러스가 CDW 결함을 유도한다.
• 모델은 초전도체 및 PDW 채널의 바이러스가 CDW 순서 매개변수에서 토폴로지 결함을 생성한다고 예측한다.
• 결함 쌍은 CDW 진폭이 0이 되는 영역과 상관관계를 가지며, CDW 융해에서의 역할을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상반된 위상 감도를 가진 토폴로지 결함는 자기장 하에서 UTe2의 전하 밀도파 융해에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 자기장 증가에 따라 관측된 결함 쌍의 증가 원인은 무엇인가?
• RQ3 기진부르크-랜더 프레임워크는 공존하는 초전도체 및 쌍 밀도파 순서에서 바이러스에 의해 CDW 결함이 생성되는지를 설명할 수 있는가?
• RQ4 관측된 CDW 융해는 UTe2 표면에 존재하는 부모 쌍 밀도파 상태와 일치하는가?
• RQ5 토폴로지 결함와 CDW 진폭 억제 사이의 공간적 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 위상 민감도 스캐닝 터널링 현미경을 통해 UTe2에서 상반된 위상 감도를 가진 토폴로지 결함 쌍이 직접 시각화되었다.
• 결함 쌍의 수는 자기장 증가에 따라 증가하였으며, 이는 CDW 진폭 억제와 상관관계를 보였다.
• 결함 쌍은 CDW 진폭이 소멸하는 영역에 국소적으로 분포하여 CDW 융해에서의 역할을 확인하였다.
• 실험적 관측 결과는 초전도체와 쌍 밀도파가 공존하는 기진부르크-랜더 모델에 정량적으로 잘 맞아떨어졌다.
• 결과는 UTe2 표면에 존재하는 부모 쌍 밀도파 순서에 대한 강력한 증거를 제공하며, 이는 바이러스를 생성하여 CDW 토폴로지 결함을 유도한다.
• 자기장에 의해 유도된 CDW 융해 과정은 바이러스를 매개로 한 토폴로지 결함 생성에 의해 주도되며, 이는 초전도체와 CDW 순서 매개변수 간의 연관성을 시사한다.