[논문 리뷰] Weyl Superconductivity in UTe2

Ian Hayes, Di Wei외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 06.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 UTe₂가 두 성분의 시간역행대칭破괴(superconducting order parameter)를 지닌 Weyl 초전도체임을 실험적으로 입증하며, 이는 나선형 Fermi 호면 상태를 수반한다. 이 발견은 극성 Kerr 효과 및 비열 측정을 통해 이뤄졌으며, Weyl 점을 지닌 비단위(unitary) 스핀 트립렛 쌍성 상태임을 확인함으로써 UTe₂가 양자 컴퓨팅을 위한 위상적 플랫폼으로서의 위치를 확립한다.

ABSTRACT

The search for a material platform for topological quantum computation has recently focused on unconventional superconductors. Such material systems, where the superconducting order parameter breaks a symmetry of the crystal point group, are capable of hosting novel phenomena, including emergent Majorana quasiparticles. Unique among unconventional superconductors is the recently discovered UTe2, where spin-triplet superconductivity emerges from a paramagnetic normal state. Although UTe2 could be considered a relative of a family of known ferromagnetic superconductors, the unique crystal structure of this material and experimentally suggested zero Curie temperature pose a great challenge to determining the symmetries, magnetism, and topology underlying the superconducting state. These emergent properties will determine the utility of UTe2 for future spintronics and quantum information applications. Here, we report observations of a non-zero polar Kerr effect and of two transitions in the specific heat upon entering the superconducting state, which together show that the superconductivity in UTe2 is characterized by an order parameter with two components that breaks time reversal symmetry. These data allow us to place firm constraints on the symmetries of the order parameter, which strongly suggest that UTe2 is a Weyl superconductor that hosts chiral Fermi arc surface states.

연구 동기 및 목표

• UTe₂의 초전도 상태의 대칭성과 위상적 성질을 규명함으로써, 위상적 양자 계산의 후보로 여겨지는 UTe₂의 성질을 밝혀내는 것.
• 일반적으로 단일 성분 오더 매개변수만을 지닌다 할지라도, UTe₂의 정방형 $D_{2h}$ 점군임에도 시간역행대칭이 깨지는가에 대한 오랫동안 놓인 질문을 해결하는 것.
• 고자기장 재진입 초전도성 및 나선형 표면 상태를 포함한 비정상적인 초전도 거동을 설명할 수 있는 오더 매개변수의 구조를 규명하는 것.
• 관측된 비단위 초전도 상태와 초전도 격자 내에서 Weyl Fermion의 발생 간의 연관성을 확립하는 것.
• 위상적으로 보호된 표면 상태를 지닌 Weyl 초전도상태를 지닌다는데 실험적 제약 조건을 제공함으로써 쌍성 대칭성을 지원하는 것.

제안 방법

• 시간역행대칭 깨짐(TRSB)을 초전도 상태에서의 광학 활성도를 통해 탐지하기 위해 Sagnac 간섭계를 사용한 극성 Kerr 효과 측정.
• 다중 초전도 전이를 식별하기 위해 비열 측정을 수행하여, 두 성분의 오더 매개변수를 나타냄.
• $D_{2h}$ 점군의 대칭성 분석을 통해 가능한 오더 매개변수를 분류하며, 주로 $B_{2u}+iB_{3u}$ 및 $A_u+iB_{1u}$ 표현형에 집중.
• 대칭 허용 형태의 $\vec{d}$-벡터를 사용한 갭 구조 이론 모델링으로, $f_{x,i}, f_{y,i}, f_{z,i}, f_{u,i}$ 함수들이 각각 $k_x, k_y, k_z, k_xk_yk_z$ 대칭성과 일치하도록 설정.
• 거울 평면($k_x=0$, $k_y=0$) 분석을 통해 $\vec{d}_{B2u} \cdot \vec{d}_{B3u} = 0$ 이고 $|\vec{d}_{B2u}| = |\vec{d}_{B3u}|$ 일 경우, 원형 형태의 Fermi 표면 구조를 가질 경우 Weyl 점이 존재함을 보여줌.
• ARPES 데이터를 분석하여 Z점 주변에서 $f$-전자 기반의 Fermi 표면이 존재함을 제시함으로써, $k_x=0$ 및 $k_y=0$ 평면에서 Weyl 점 존재 가능성을 뒷받침함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정방형 $D_{2h}$ 점군을 지닌 UTe₂에서 시간역행대칭 깨짐이 발생하는가? 일반적으로 단일 성분 오더 매개변수만을 지닌다 할지라도 그렇다.
• RQ2 고상임계자기장 및 재진입 초전도성과 같은 비정상적 성질을 지닌 UTe₂에서 초전도 오더 매개변수의 대칭성과 구조는 무엇인가?
• RQ3 비열에서 관측된 두 개의 별개의 초전도 전이가 두 성분 오더 매개변수로 설명될 수 있으며, 이는 쌍성 상태에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 관측된 비영인 극성 Kerr 효과 및 비열 비정상성은 위상적으로 보호된 Fermi 호면 표면 상태를 지닌 Weyl 초전도 상태를 시사하는가?
• RQ5 갭 함수의 운동량 공간적 구조는 무엇이며, 이는 초전도 상태에서 Weyl 점의 형성 가능성을 지지하는가?

주요 결과

• UTe₂에서 $T_c = 1.6$ K 이하에서 비영인 극성 Kerr 효과가 관측되어 초전도 상태에서 시간역행대칭 깨짐에 대한 직접적 증거를 제공함.
• 비열에서 두 개의 별개의 전이가 확인되어, 서로 다른 전이 온도를 지닌 두 성분의 초전도 오더 매개변수를 나타냄.
• 통합된 데이터는 오더 매개변수를 두 후보로 강력히 제약함: $B_{2u}+iB_{3u}$ 및 $A_u+iB_{1u}$, 둘 다 Weyl 초전도성을 지님.
• 이론적 분석에 따르면, $B_{2u}+iB_{3u}$ 상태는 원형 형태의 Fermi 표면을 가질 경우 $k_x=0$ 및 $k_y=0$ 거울 평면에 최소 네 개의 Weyl 점을 지님.
• 비단위 초전도 상태이면서도 정상 상태에서의 반전 대칭성 또는 시간역행대칭 깨짐이 없음을 고려할 때, 페로자성 플럭츄에이션에 의한 쌍성이 유추됨.
• Weyl 점과 나선형 Fermi 호면 표면 상태의 존재는 스캐닝 턨널링 현미경(STM) 실험에서 관측된 나선형 표면 상태에 자연스러운 설명을 제공함.