[논문 리뷰] Local spectroscopic evidence for a nodeless magnetic kagome superconductor CeRu$_2$

C. Mielke, H. Liu외 12명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 01.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 코발트계 초전도체 CeRu₂가 복잡한 자성 반응에도 불구하고 노드가 없는 초전도체임을 직접적인 국소 스펙트로스코픽 증거로 밝혀내기 위해 고속도자기자기측정(μSR)을 사용한다. 주요 발견은 초전도 격자에 완전히 열려 있는 상태이며 임계온도 ~5 K와 희박한 초전도체 밀도를 가지며, 이는 희귀한 자성 카고메 격자 시스템에서 비정상적인 초전도성임을 시사한다.

ABSTRACT

We report muon spin rotation ($μ$SR) experiments on the microscopic properties of superconductivity and magnetism in the kagome superconductor CeRu$_{2}$ with $T_{ m c}$~${\simeq}$~5~K. From the measurements of the temperature-dependent magnetic penetration depth $λ$, the superconducting order parameter exhibits nodeless pairing, which fits best to an anisotropic $s$-wave gap symmetry. We further show that the $T_{ m c}$/$λ^{-2}$ ratio is comparable to that of unconventional superconductors. Furthermore, the powerful combination of zero-field (ZF)-$μ$SR and high-field $μ$SR has been used to uncover magnetic responses across three characteristic temperatures, identified as $T_1^*$~${\simeq}$~110~K, $T_2^*$~${\simeq}$~65~K, and $T_3^*$~${\simeq}$~40~K. Our experiments classify CeRu$_{2}$ as an exceedingly rare nodeless magnetic kagome superconductor.

연구 동기 및 목표

• 국소 탐침 스펙트로스코피를 사용하여 카고메 초전도체 CeRu₂의 초전도 격자 대칭성을 규명한다.
• 높은 Tc를 가진 희귀한 f-전자 카고메 시스템에서 초전도성과 자성 간의 상호작용을 조사한다.
• 고감도 μSR 측정을 통해 CeRu₂에서 관측된 다중 자성 전이의 기원과 성격을 규명한다.
• 자기 침투 깊이와 초전도체 밀도 분석을 통해 CeRu₂의 초전도 상태가 비정상적인지 평가한다.
• 전하 질서가 존재하지 않는 조건에서 Ce 4f 전자와 Ru d 전자 상호작용이 노드가 없는 초전도성의 매개 역할을 하는지 명확히 한다.

제안 방법

• 국소 자성 반응을 탐지하고 자발적 자석장을 감지하기 위해 영자장(ZF)-μSR 및 고자장 μSR 실험을 수행하였다.
• μSR 데이터로부터 자기 침투 깊이 λ(T)의 온도 의존성을 측정하여 초전도 격자 구조를 유추하였다.
• 루돌프 침투 깊이 λ−2(T)를 사용하여 초전도체 밀도를 추출하고 쌍성 대칭성을 평가하였다.
• 영자장에서의 μSR 신호의 붕괴 속도를 분석하여 Ce 4f와 Ru d 전자 간 복잡한 상호작용으로 인한 세 가지 특성 온도(T₁* ≈ 110 K, T₂* ≈ 65 K, T₃* ≈ 40 K)를 확인하였다.
• 기존의 비정상적 초전도체와의 Tc/λ−2 비율을 비교하여 초전도성의 성격을 평가하였다.
• 고자장 홀 전기저항도 데이터와 μSR 결과를 연계하여 자성 비정상성의 전자 기원을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CeRu₂의 초전도 격자 대칭성은 무엇이며, 노드가 존재하는가 아니면 완전히 열려 있는 상태인가?
• RQ2 CeRu₂에서 관측된 110 K, 65 K, 40 K에서의 세 가지 복합 자성 전이의 기원은 무엇인가?
• RQ3 외부 자기장이 작용할 경우 CeRu₂의 자성 반응은 어떻게 변화하며, 이는 자성의 성격에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 초전도체 밀도와 쌍성 대칭성에 기반해 CeRu₂의 초전도성이 비정상적인가?
• RQ5 Ce 4f 전자와 Ru d 전자 간 상호작용은 이 카고메 격자 시스템에서 초전도성과 자성이 공존하는 데 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• CeRu₂의 초전도 격자는 노드가 없으며, 자기 침투 깊이의 온도 의존성이 비등방성 s파어 쌍성 대칭성으로 가장 잘 맞아떨어진다.
• 임계온도 Tc ≈ 5 K는 다른 카고메 초전도체와 유사하지만, 초전도체 밀도가 희박하여 비정상적 쌍성임을 시사한다.
• Ce 4f와 Ru d 전자 간 복잡한 상호작용으로 인해 T₁* ≈ 110 K, T₂* ≈ 65 K, T₃* ≈ 40 K에서 세 가지 복합 자성 전이가 확인되었다.
• 자기장이 작용할 경우 자성 반응이 크게 강화되며, 영자장 대비 8 T에서 붕괴 속도가 약 두 배 증가하였다.
• 영자장 μSR 신호는 핵 기여가 외부 자기장에 민감하지 않기 때문에, 비정상성의 전자/자기 기원을 명확히 보여준다.
• 고자장 μSR 결과는 고자장 홀 전기저항도와 부합되며, 자성 특성의 전자 기원을 확인하고 이트리너트 반자성의 존재를 뒷받침한다.