[論文レビュー] Magnetoresistance oscillation study of the half-quantum vortex in doubly connected mesoscopic superconducting cylinders of Sr2RuO4

Xinxin Cai, Brian Zakrzewski+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2020

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 48被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、メソスコピックで二重連結なSr2RuO4円筒における磁気抵抗振動測定を報告し、大規模な面内磁場および高電流下で、半量子化済み渦（HQV）の直接的証明を示した。MR振動における谷と二次ピークの観測は、磁場で調整された自由エネルギー障壁を越える熱励起渦の通過によって説明され、HQVの形成、フラックスイド捕獲、および電流依存性スピン偏極を確認した。これにより、Sr2RuO4におけるスピン三重項対称性の証拠が強化され、HQVの安定性およびダイナミクスに関する知見が得られた。

ABSTRACT

The observation of the highly unusual half-quantum vortex (HQV) in a single crystalline superconductor excludes unequivocally the spin-singlet symmetry of the superconducting order parameter. HQVs were observed previously in mesoscopic samples of Sr2RuO4 in cantilever torque magnetometry measurements, thus providing direct evidence for spin-triplet pairing in the material. In addition, it raised important questions on HQV, including its stability and dynamics. These issues have remained largely unexplored, in particular, experimentally. We report in this paper the detection of HQVs in mesoscopic, doubly connected cylinders of single-crystalline Sr2RuO4 of a mesoscopic size and the examination of the effect of the in-plane magnetic field needed for the observation of the HQV by magnetoresistance (MR) oscillations measurements. Several distinct features found in our data, especially a dip and secondary peaks in the MR oscillations seen only in the presence of a sufficiently large in-plane magnetic field as well as a large measurement current, are linked to the formation of the HQV fluxoid state in and crossing of an Abrikosov HQV through the sample. The conclusion is drawn from the analysis of our data using a model of thermally activated vortex crossing overcoming a free-energy barrier which is modulated by the applied magnetic flux enclosed in the cylinder as well as the measurement current. Evidence for the trapping of an HQV fluxoid state in the sample was also found. Our observation of the HQV in mesoscopic Sr2RuO4 provided not only additional evidence for spin-triplet superconductivity in Sr2RuO4 but also insights into the physics of HQV, including its spontaneous spin polarization, stability, and dynamics. Our study also revealed a possible effect of the measurement current on the magnitude of the spontaneous spin polarization associated with the HQV.

研究の動機と目的

• メソスコピックで二重連結なSr2RuO4超伝導円筒における半量子化済み渦（HQV）の存在とダイナミクスを実験的に探査すること。
• 面内磁場と測定電流が、磁気抵抗（MR）振動を通じてHQVの安定化と検出に果たす役割を調査すること。
• HQVの安定性およびダイナミクス、特にフラックスイド捕獲と熱励起渦の通過を検討すること。
• HQV形成と自発的スピン偏極との関係、特に測定電流への依存性を調べること。
• トポロジカルな渦が予測される幾何的条件下でHQVのシグナルを観測することにより、Sr2RuO4におけるスピン三重項対称性のさらなる証拠を提供すること。

提案手法

• 低温下で単結晶でメソスコピックな二重連結なSr2RuO4円筒を用い、磁気抵抗（MR）振動測定を実施した。
• 大規模な面内磁場を印加してHQVを誘発・安定化させ、円筒に貫通する磁束が渦の通過に伴う自由エネルギー障壁を調整した。
• 磁束および電流で調整された自由エネルギー障壁を越える熱励起渦の通過モデルを用いて、MR振動の特徴を解釈した。
• MR振動パターンを解析し、谷と二次ピークといった特徴を、HQVフラックスイド状態の形成と渦の通過を示す兆候とした。
• 観測された特徴を、半量子化済み渦（フラックスイド = Φ₀/2）の存在とそのサンプル内でのダイナミクスと関連付けた。
• 渦の通過と量子化フラックスイド状態およびスピン偏極を結びつける理論的枠組みを用い、スピン三重項対称性と整合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模な面内磁場下で、メソスコピックで二重連結なSr2RuO4円筒に半量子化済み渦（HQV）が形成され、安定しているか？
• RQ2 HQVの形成とサンプル内通過に関連する特定の磁気抵抗振動の特徴は何か？
• RQ3 測定電流がHQVのダイナミクスおよびスピン偏極に与える影響は何か？
• RQ4 磁束および電流で調整された自由エネルギー障壁を越える熱励起渦の通過モデルで、観測されたMR振動を説明できるか？
• RQ5 HQVフラックスイド状態の捕獲の証拠は何か？ また、それらはスピン三重項対称性の性質とどのように関係しているか？

主な発見

• 十分に大きな面内磁場および高電流下でのみ、明確なMR振動特徴（谷と二次ピーク）が観測され、HQVフラックスイド状態の形成を示した。
• 観測されたMR特徴は、閉じ込められた磁束および測定電流によって調整された自由エネルギー障壁を越える熱励起渦の通過によって説明された。
• HQVフラックスイド状態の捕獲の証拠が得られ、渦の配置のトポロジカル安定性を示した。
• 解析により、メソスコピックなSr2RuO4における半量子化済み渦の存在が支持され、c軸方向のdベクトルを持つスピン三重項対称性のさらなる実験的証明が得られた。
• 自発的スピン偏極が測定電流に依存する可能性があることが明らかになり、HQVにおける調整可能なスピン自由度の存在を示唆した。
• 結果は、Sr2RuO4と超流動ヘリウム-3の類似性を強化し、特に幾何的制約下でのトポロジカル渦の文脈において顕著である。