[論文レビュー] Helical vortex phase in the non-centrosymmetric CePt_3Si

Raminder Kaur, D. F. Agterberg+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2004

Rare-earth and actinide compounds被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、非中心対称超伝導体CePt3Siが、スピン軌道結合に起因する面内磁場下でヘリカルなヴォルテックス相を形成することを提案している。この相はパラ磁性対の破壊を抑制し、異常に高い上臨界磁場を説明する。ヘリカル秩序は、磁場干渉パターンを示すジョセフソン接合実験によって検出可能であり、横磁化がその主要な特徴である。

ABSTRACT

We consider the role of magnetic fields on the broken inversion superconductor CePt_3Si. We show that upper critical field for a field along the c-axis exhibits a much weaker paramagnetic effect than for a field applied perpendicular to the c-axis. The in-plane paramagnetic effect is strongly reduced by the appearance of helical structure in the order parameter. We find that to get good agreement between theory and recent experimental measurements of H_{c2}, this helical structure is required. We propose a Josephson junction experiment that can be used to detect this helical order. In particular, we predict that Josephson current will exhibit a magnetic interference pattern for a magnetic field applied perpendicular to the junction normal. We also discuss unusual magnetic effects associated with the helical order.

研究の動機と目的

• 強力なパラ磁性効果があるにもかかわらず、CePt3Siにおける異常に高い上臨界磁場Hc2を説明すること。
• 非中心対称超伝導体CePt3Siにおける、パラ磁性対の破壊の異方的抑制を理解すること。
• 面内磁場下でパラ磁性効果が抑制されるメカニズムとして、ヘリカルヴォルテックス秩序を提示すること。
• ヘリカル位相因子の直接実験的検証として、ジョセフソン接合を用いた実験的手法を提供すること。
• ヘリカル秩序に起因する横磁化の予測を行い、代替の検出方法を提示すること。

提案手法

• CePt3Siの電子状態を記述するため、ラシバスピン軌道結合を含む2バンドモデルを用いる。
• 非中心対称性を持つ2つの超伝導体間のジョセフソン接合をモデル化するため、ギンツブルグ＝ランダウ型自由エネルギー法を適用する。
• 磁場に垂直な波数qを持つヘリカル秩序パラメータを組み込んだ、位相差の関数としてのジョセフソン電流を導出する。
• ジョセフソン電流の干渉パターンを計算し、磁場およびqLに依存するフレネル型のモード変調を示す。
• ヘリカル秩序に起因する横磁化を、m ∝ n × J0の関係を用いて評価する。ここでnはヴォルテックスコアに沿った単位ベクトルである。
• Tc付近でのマイクロスコピック計算により、ヘリカル波数qが磁場および物性パラメータにどのように依存するかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜCePt3Siにおける上臨界磁場Hc2は、強いゼーマン分裂があるにもかかわらず、面内磁場下でも高いままであるのか？
• RQ2 CePt3Siに逆転対称性の欠如があると、なぜ面内磁場下でパラ磁性対の破壊が抑制されるのか？
• RQ3 CePt3Siにおけるヘリカルヴォルテックス相は実験的に検出可能か？また、ジョセフソン接合でどのようなシグナチャーを示すか？
• RQ4 ヘリカル秩序パラメータに起因する横磁化の性質は何か？
• RQ5 ヘリカル秩序は、非中心対称超伝導体を含む接合におけるジョセフソン電流にどのように影響を与えるか？

主な発見

• c軸に沿った磁場下での上臨界磁場Hc2は、従来の超伝導体と同様に、パラ磁性効果による抑制がほとんど見られない。
• 面内磁場下では、磁場に垂直な波数qを持つヘリカルヴォルテックス相の形成により、パラ磁性効果が強く抑制される。
• ヘリカル秩序は、実験的Hc2データを説明でき、小さな異方性（T=0でのHc2^c / Hc2^ab = 1.18）およびパラ磁性限界の顕著な欠如を説明する。
• 接合面に非中心対称超伝導体（CePt3Si）を配置し、垂直方向の磁場を印加したジョセフソン接合実験では、電流にフレネル型の干渉パターンが観測される。
• ジョセフソン電流はqLに関連する周期で振動し、|qL| >> 1の場合、追加の面外磁場によってパターンが非対称になる。
• 超電流が流れる薄膜では、ヘリカル秩序に起因して約0.02ガウスの横磁化が予測され、これが代替の検出チャネルを提供する。