[论文解读] Incommensurate Spin Fluctuations in the Spin-triplet Superconductor Candidate UTe$_2$

Chunruo Duan, Kalyan Sasmal+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2020

Rare-earth and actinide compounds被引用 5

一句话总结

本研究利用非弹性中子散射揭示，尽管在 0.3 K 以下未观察到静态磁序，UTe₂ 在反铁磁波矢附近表现出主导的非公度自旋涨落，能量范围延伸至 2.6 meV。这些涨落由 U-5f 磁矩之间的 RKKY 相互作用驱动，经 DFT+DMFT 计算证实，是该材料非常规自旋三重态超导性（Tc ≈ 1.6 K）的核心机制。

ABSTRACT

Spin-triplet superconductors are of extensive current interest because they can host topological state and Majorana ferimons important for quantum computation. The uranium based heavyfermion superconductor UTe$_2$ has been argued as a spin-triplet superconductor similar to UGe$_2$, URhGe, and UCoGe, where the superconducting phase is near (or coexists with) a ferromagnetic (FM) instability and spin-triplet electron pairing is driven by FM spin fluctuations. Here we use neutron scattering to show that although UTe$_2$ exhibits no static magnetic order down to 0.3 K, its magnetism is dominated by incommensurate spin fluctuations near antiferromagnetic (AF) ordering wave vector and extends to at least 2.6 meV. We are able to understand the dominant incommensurate spin fluctuations of UTe$_2$ in terms of its electronic structure calculated using a combined density functional and dynamic mean field theory.

研究动机与目标

• 确定 UTe₂ 中自旋涨落的性质与起源，该材料是 Tc ≈ 1.6 K 的自旋三重态超导体候选材料。
• 确定铁磁（FM）自旋涨落是否主导磁响应，如自旋三重态配对所预期。
• 利用从头计算方法将观测到的非公度自旋涨落与 UTe₂ 的电子结构联系起来。
• 澄清自旋涨落是由 RKKY 相互作用还是重 5f 能带的费米面嵌套引起。
• 确立非公度自旋涨落在驱动 UTe₂ 中非常规超导性方面的关键作用。

提出的方法

• 在 0.3 K 至 12 K 的温度范围内对单晶 UTe₂ 进行非弹性中子散射（INS）实验，以探测自旋涨落在波矢和能量依赖性上的行为。
• 在非公度波矢 Q₁ 和 Q₂ 处测量动态自旋磁化率 χ′′(E, Q)，并校正非相干散射和玻色布居因子的影响。
• 利用中子自旋极化分析评估自旋涨落的性质，以区分铁磁与反铁磁特征。
• 进行 DFT+DMFT 电子结构计算，以模拟费米面和自旋涨落的波矢。
• 将计算得到的费米面嵌套波矢与 RKKY 相互作用波矢与实验观测到的 Q_IC 进行比较，以识别主导机制。
• 分析 χ′′(E) 的温度依赖性，评估在 Tc 以下的增强效应，并与表现出中子自旋共振的自旋单重态超导体进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 UTe₂ 中的自旋涨落具有怎样的空间与能量依赖性？是否表现出非公度特征？
• RQ2 如自旋三重态超导体所预期，铁磁自旋涨落是否在 UTe₂ 中占主导地位？
• RQ3 观测到的非公度自旋涨落的电子起源是什么——是 RKKY 相互作用还是费米面嵌套？
• RQ4 UTe₂ 中的自旋涨落与其它自旋三重态候选材料（如 Sr₂RuO₄ 或 URhGe）相比有何异同？
• RQ5 非公度自旋涨落在多大程度上促进了自旋三重态超导性的形成？

主要发现

• UTe₂ 在 0.3 K 以下未表现出静态磁序，证实其为顺磁基态。
• 非弹性中子散射揭示，在接近反铁磁波矢的波矢 Q₁ 和 Q₂ 处存在强烈的非公度自旋涨落。
• 自旋涨落能量范围至少延伸至 2.6 meV，且符合玻色布居因子，表明其为集体磁激发。
• 在 Q₁ 和 Q₂ 处的动态自旋磁化率 χ′′(E) 在 Tc 以下未表现出显著增强，与自旋单重态超导体中观测到的中子自旋共振形成鲜明对比。
• 尽管磁化率数据提示存在铁磁自旋涨落，但其强度微弱，并在约 0.7 meV 以上消失，表明其并未主导自旋响应。
• DFT+DMFT 计算表明，观测到的 Q_IC 最佳解释为 U-5f 磁矩之间的 RKKY 相互作用，其动量传递约为 ~0.61b*，与实验波矢一致。