[论文解读] Generalized Spin Fluctuation Feedback In Correlated Fermion Superconductors

Amin, Adil, Agterberg, D. F.|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 5

一句话总结

本文提出广义自旋涨落反馈机制——受超流³He中A相由自旋涨落机制稳定启发——可解释UPt₃、PrOs₄Sb₁₂和U₁₋ₓThₓBe₁₃等关联费米子系统中的两个超导转变。通过将超导序参量与反铁磁或反铁电四极矩涨落耦合，该理论稳定了高温时间反演对称性破缺的nematic A相，随后发生二级相变进入时间反演对称性破缺的B相，与实验观测和对称性约束一致。

ABSTRACT

Experiments reveal that the superconductors $ ext{UPt}_3$, $ ext{U}_{1-x} ext{Th}_x ext{Be}_{13}$ and $ ext{PrOs}_4 ext{Sb}_{12}$ undergo two superconducting transitions in the absence of an applied magnetic field. The prevalence of these multiple transitions suggests a common underlying mechanism. A natural candidate theory which accounts for these two transitions is the existence of a small symmetry breaking field, however such a field has not been observed in $ ext{PrOs}_4 ext{Sb}_{12}$ or $ ext{U}_{1-x} ext{Th}_x ext{Be}_{13}$ and has been called into question for $ ext{UPt}_3$. Motivated by arguments originally developed for superfluid $^3 ext{He}$ we propose that a generalized spin fluctuation feedback effect is responsible for these two transitions. We first develop a phenomenological theory for $^3 ext{He}$ that couples spin fluctuations to superfluidity, which correctly predicts that a high temperature broken time-reversal superfluid $^3 ext{He}$ phase can emerge as a consequence. The transition at lower temperatures into a time-reversal invariant superfluid phase must then be first order by symmetry arguments. We then apply this phenomenological approach to the three superconductors $ ext{UPt}_3$, $ ext{U}_{1-x} ext{Th}_x ext{Be}_{13}$ and $ ext{PrOs}_4 ext{Sb}_{12}$ revealing that this naturally leads to a high-temperature time-reversal invariant nematic superconducting phase, which can be followed by a second order phase transition into a broken time-reversal symmetry phase, as observed.

研究动机与目标

• 解决UPt₃、PrOs₄Sb₁₂和U₁₋ₓThₓBe₁₃中两个独立超导转变的长期谜题，无需引入未观测到的对称性破缺场。
• 将³He超流中的自旋涨落反馈机制扩展至具有非常规配对的关联费米子超导体。
• 确定反铁磁或反铁电四极矩涨落是否能稳定时间反演对称的A相，随后进入时间反演对称性破缺的B相。
• 利用对称性论证和极化Kerr效应测量约束可能的序参量。
• 基于涨落诱导的吉兹堡-朗道系数重整化，为重费米子超导体中的多重转变提供统一的唯象理论框架。

提出的方法

• 为包含自旋涨落反馈的超流³He构建唯象吉兹堡-朗道理论，重现时间反演对称性破缺A相的稳定。
• 通过识别类似涨落通道，将³He机制映射至关联超导体：UPt₃和U₁₋ₓThₓBe₁₃中为反铁磁（AFM），PrOs₄Sb₁₂中为反铁电四极矩（AFQ）。
• 利用群论对序参量的不可约表示（irreps）进行分类，并确定A相和B相的允许对称通道。
• 应用极化Kerr效应测量的对称性约束，排除某些序参量通道。
• 计算由涨落反馈引起的重整化吉兹堡-朗道系数，展示涨落如何稳定A相。
• 利用反馈项的形式，确定每种材料和不可约表示下允许的序参量分量。

实验结果

研究问题

• RQ1 广义自旋涨落反馈是否能在不引入外部对称性破缺场的前提下，解释UPt₃、PrOs₄Sb₁₂和U₁₋ₓThₓBe₁₃中的两个超导转变？
• RQ2 哪些序参量的不可约表示与观测到的相序和对称性约束相容？
• RQ3 极化Kerr效应测量能否区分PrOs₄Sb₁₂和U₁₋ₓThₓBe₁₃中不同序参量通道？
• RQ4 反铁磁或反铁电四极矩涨落如何通过修改吉兹堡-朗道自由能来稳定时间反演对称的A相？
• RQ5 由于自旋涨落反馈的形式，对PrOs₄Sb₁₂和U₁₋ₓThₓBe₁₃中3D Tg/u表示的配对通道有何约束？

主要发现

• 在所有三种材料中，广义自旋涨落反馈机制均稳定了高温时间反演对称的nematic A相，随后发生二级相变进入时间反演对称性破缺的B相。
• PrOs₄Sb₁₂的3D Tg/u不可约表示仅允许两种可能A态中的一种，这是由自旋涨落反馈形式决定的，从而对配对通道形成约束。
• 极化Kerr效应测量排除了PrOs₄Sb₁₂的2D Eg/u表示，提示未来在不同训练场方向下进行测量可进一步约束3D Tg/u情况。
• 对于U₁₋ₓThₓBe₁₃中3D Tg/u表示，自旋涨落反馈仅允许两种可能A态中的一种，为配对态提供了强约束。
• 对U₁₋ₓThₓBe₁₃的极化Kerr测量可排除2D (Eg/u)情景，并进一步约束3D (Tg/u)表示中的配对通道。
• 该理论为三种不同材料中的多重转变提供了统一解释，通过共同的涨落驱动稳定机制将其联系起来。