[论文解读] Anomalous quasiparticle transport in the superconducting state of CeCoIn5

Y. Kasahara, Yasuyuki Nakajima+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2005

Rare-earth and actinide compounds被引用 4

一句话总结

本研究测量了CeCoIn$_5$在超导态下的热霍尔电导率（$\kappa_{xy}$），发现低于$T_c$时准粒子平均自由程显著增强，且在弱磁场下迅速被抑制。结合标度分析与态密度分析，结果证实了$d$-波超导对称性，并表明CeCoIn$_5$处于超清洁区（$\varepsilon_F/\Delta \ll \ell/\xi$），在此区域中预期会出现异常的涡旋动力学行为。

ABSTRACT

We report on a study of thermal Hall conductivity k_xy in the superconducting state of CeCoIn_5. The scaling relation and the density of states of the delocalized quasiparticles, both obtained from k_xy, are consistent with d-wave superconducting symmetry. The onset of superconductivity is accompanied by a steep increase in the thermal Hall angle, pointing to a striking enhancement in the quasiparticle mean free path. This enhancement is drastically suppressed in a very weak magnetic field. These results highlight that CeCoIn_5 is unique among superconductors. A small Fermi energy, a large superconducting gap, a short coherence length, and a long mean free path all indicate that CeCoIn_5 is clearly in the superclean regime (E_F/Delta<

研究动机与目标

• 使用热霍尔电导率研究CeCoIn$_5$在超导态下的准粒子输运行为。
• 确定清洁超导体中准粒子平均自由程及其磁场依赖性。
• 通过热霍尔标度分析与态密度分析，检验CeCoIn$_5$中超导能隙对称性是否为$d$-波。
• 阐明准粒子输运对弱磁场极端敏感的起源，这一特征在其他超导体中独一无二。
• 确定CeCoIn$_5$是否处于超清洁区，其特征为$\ell/\xi \gg \varepsilon_F/\Delta$。

提出的方法

• 使用稳态法测量单晶样品的纵向（$\kappa_{xx}$）与横向（$\kappa_{xy}$）热导率，热流方向为[100]，磁场方向为c轴。
• 通过计算热霍尔角$\Theta = \tan^{-1}(\kappa_{xy}/\kappa_{xx})$推断准粒子平均自由程$\ell$。
• 从低场区域$H$的线性依赖关系中提取$|\kappa_{xy}|/B$的零场极限，以分离出本征的准粒子输运行为。
• 分析$\kappa_{xy}$的$T$-和$H$-依赖性，以检验在$d$-波超导体中预期的标度行为。
• 将提取的准粒子平均自由程与相干长度$\xi$及费米能$\varepsilon_F$进行比较，评估其是否处于超清洁区。
• 利用从$\kappa_{xy}$推导出的态密度，确认$d$-波对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 CeCoIn$_5$中的热霍尔电导率$\kappa_{xy}$是否表现出与$d$-波超导对称性一致的标度行为？
• RQ2 在超导态下，准粒子平均自由程$\ell$是多少？其随温度和磁场如何演化？
• RQ3 为何准粒子平均自由程对极弱磁场如此强烈地被抑制？这一特征在其他超导体中均未见。
• RQ4 CeCoIn$_5$是否处于超清洁区，其定义为$\ell/\xi \gg \varepsilon_F/\Delta$？
• RQ5 CeCoIn$_5$中观测到的异常涡旋芯准粒子散射的起源是什么？

主要发现

• 热霍尔角$\Theta$在$T_c$以下约1 K处表现出显著最大值，表明准粒子平均自由程急剧增加。
• 在低磁场下，准粒子平均自由程$\ell$达到$\sim$ 1 $\mu$m，显著超过相干长度$\xi \sim$ 5 nm，证实了超清洁区的存在。
• 即使仅约0.06 T的弱磁场，也能导致$\ell$的剧烈抑制，这一现象在所有已知超导体中均属前所未有。
• $\kappa_{xy}$的$H$-依赖性在0.64 K以下出现约0.06 T的峰值，与YBCO等超净高温超导体的特征相似。
• $\kappa_{xy}$的标度行为以及由此推导出的态密度均与$d$-波超导对称性一致。
• $\varepsilon_F/\Delta \sim$ 3远小于$\ell/\xi \sim$ 200，进一步证实了超清洁区的存在，该区域预期出现强涡旋黏性与异常涡旋动力学。