[论文解读] Stability of a Nonunitary Triplet Pairing on the Border of Magnetism in UTe$_2$

Andriy H. Nevidomskyy|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2020

Rare-earth and actinide compounds被引用 11

一句话总结

该论文提出，在接近铁磁量子临界点时，UTe₂中即使不存在长程磁序，也会稳定一种沿晶格a轴具有点节点的非幺正三重态超导态。通过群论分析、BCS理论以及排除f电子的从头算DFT计算，作者表明该态可解释扫描隧道显微镜观测到的手性边缘模式、高场下的再入超导行为，以及非零的磁光 Kerr 效应，且节点结构与热输运数据一致。

ABSTRACT

Motivated by the recent discovery of superconductivity in UTe$_2$, we analyze the stability and nodal structure of various triplet superconducting order parameters. Using a combination of symmetry group-theoretical analysis, phenomenological Landau free energy and weak-coupling BCS theory, we show that chiral nonunitary superconducting order can be stabilized on the border of ferromagnetism in UTe$_2$, even in the absence of long-range magnetic order. We further perform first principles density functional theory (DFT) calculations of the so-called "small" Fermi surface, excluding the contribution of U $f$-electrons, and find it to be in excellent agreement with the recent angular resolved photoemission study and DFT+DMFT calculations. This permits us to elucidate the nodal structure of the superconducting gap, which we find generically to possess point nodes along the crystallographic $a$ direction, in agreement with experiments. The topological stability of these point nodes and their associated Majorana surface states is analyzed. The nonunitary structure of the predicted superconducting state supports chiral edge modes observed in recent scanning tunneling microscopy (STM) data and is predicted to result in a non-vanishing magneto-optical Kerr effect.

研究动机与目标

• 解决在D₂h点群对称性下预期为幺正配对，但实验观测到时间反演对称性破缺的矛盾。
• 解释在无长程磁序条件下，UTe₂中超导性与临近铁磁序的共存机制。
• 通过分析排除f电子的'小'费米面，调和DFT计算（绝缘性）与实验（金属性）之间的差异。
• 确定超导能隙的节点结构及其在近期STM与热输运测量背景下的拓扑稳定性。
• 预测非幺正态的可观测特征，包括非零的磁光Kerr效应与手性边缘模式。

提出的方法

• 对D₂h点群中的不可约表示进行群论分析，以评估可能的超导序参量。
• 应用唯象的朗道自由能理论，评估在铁磁量子临界点附近非幺正三重态配对的稳定性。
• 使用微扰BCS理论模拟超导能隙的d矢量结构，结合自旋-轨道耦合与手性配对。
• 对排除铀f电子贡献的'小'费米面进行从头算DFT计算，以匹配实验测得的费米面图。
• 将所得费米面与ARPES及DFT+DMFT数据进行比较，以验证模型。
• 利用d矢量形式Δ(k) = i(dₖ·σ)σ₂分析能隙的节点结构与拓扑稳定性，并评估在外磁场下轨道磁矩的响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管D₂h点群限制为一维表示，是否仍可在UTe₂中稳定非幺正三重态超导态？
• RQ2 即使不存在长程磁序，临近铁磁序如何稳定时间反演对称性破缺的超导态？
• RQ3 超导能隙的节点结构为何与热导率和穿透深度中观测到的幂律温度依赖性一致？
• RQ4 为何DFT计算预测为绝缘态，而实验观测为金属性行为？这一矛盾如何调和？
• RQ5 由预测的非幺正配对将产生哪些可观测的实验特征，如磁光Kerr效应或手性边缘模式？

主要发现

• 在接近铁磁量子临界点时，即使无长程磁序，手性非幺正三重态超导态在UTe₂中仍具有能量优势。
• 超导能隙沿晶格a轴表现出点节点，与热导率和穿透深度中观测到的幂律温度依赖性一致。
• 通过排除f电子贡献计算出的'小'费米面与ARPES及DFT+DMFT结果高度一致，验证了模型的可靠性。
• 非幺正态支持拓扑保护的马约拉纳表面态与手性边缘电流，与近期STM观测到的手性边缘模式一致。
• 该态破缺时间反演对称性，导致非零的磁光Kerr效应，提供了直接的实验观测信号。
• 高磁场通过极化库珀对的轨道磁矩稳定非幺正态，解释了高场下观测到的再入超导行为。