[论文解读] Breaking of Ginzburg-Landau description in the temperature dependence of the anisotropy in the nematic superconductor

M. I. Bannikov, R. S. Akzyanov+6 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 31被引用 7

一句话总结

本研究测量了高质量 SrxBi2Se3 单晶在亚毫开温度稳定性下的面内上临界场各向异性（Hc2）的温度依赖性。与吉纳斯特-朗道（GL）理论预测相反，各向异性随温度升高平滑且单调减小，在 Tc 附近无奇点，且在 T ≈ Tc 时仍保持显著（2–4）。该行为与 GL 理论相矛盾，表明其在描述掺杂拓扑绝缘体中的向列超导性时失效。

ABSTRACT

Nematic superconductors are characterized by an apparent crystal symmetry breaking that results in the anisotropy of the in-plane upper critical magnetic field $H_{c2}$. The symmetry breaking is usually attributed to the strain of the crystal lattice. The nature and the value of the strain are debatable. We perform systematic measurements of the $H_{c2}$ anisotropy in the high-quality Sr$_x$Bi$_2$Se$_3$ single crystals in the temperature range 1.8~K$<T<T_c\approx 2.7$~K using temperature stabilization with an accuracy of 0.0001 K. We observe that in all tested samples the anisotropy is weakly temperature dependent when $T<0.8\,T_c$ and smoothly decreases at higher temperatures without any sign of singularity when $T ightarrow T_c$. Such a behavior {is in a drastic contradiction with the prediction of} the Ginzburg-Landau theory for the nematic superconductors. We discuss possible reasons for this discrepancy.

研究动机与目标

• 研究高质量 SrxBi2Se3 单晶在 Tc 附近的 Hc2 各向异性温度依赖性。
• 检验吉纳斯特-朗道（GL）理论在具有两分量向量序参量的向列超导体中的适用性。
• 确定外部或自发应变是否可解释观测到的各向异性行为。
• 排除实验伪影（如超导转变展宽）作为观测到的各向异性抑制的原因。

提出的方法

• 在多个角度下对固定温度的电阻率 R(H) 进行系统性磁电输运测量，以提取 Hc2(θ)。
• 采用高精度温度稳定（±0.0001 K），以解析 Tc 附近的微弱温度依赖性。
• 对电阻率数据按温度和磁场进行二维插值，以多种标准（10%、50%、90%）提取 Tc(H) 并量化转变展宽 ∆T。
• 使用考虑应变耦合序参量的吉纳斯特-朗道理论建模 Hc2 各向异性，包括外部和自发应变贡献。
• 利用线性化 GL 方程和规范不变导数计算各向异性 An = Hc2(θ=π/2)/Hc2(θ=0)。
• 比较实验测得的 Hc2 各向异性与在不同应变耦合和温度依赖性假设下的理论预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 SrxBi2Se3 中的 Hc2 各向异性是否如常规吉纳斯特-朗道理论所预测的那样，在 Tc 附近表现出奇点或发散？
• RQ2 在 GL 框架下，观测到的 Hc2 各向异性随温度升高而平滑单调减小的现象，是否可由外部或自发应变解释？
• RQ3 观测到的各向异性行为是否与 Tc 处超导序参量与应变之间存在有限耦合一致？
• RQ4 实验伪影（如转变展宽或温度不均匀性）是否可解释观测到的各向异性抑制？

主要发现

• SrxBi2Se3 中的 Hc2 各向异性在 T ≈ Tc 时仍保持显著（约 2–4），与 GL 理论预测的发散或奇点行为相矛盾。
• 对于 T > 0.8Tc，各向异性随温度升高平滑且单调减小，且在 Tc 附近无奇点或临界增强迹象。
• 对于 T < 0.8Tc，各向异性弱温度依赖，表明在广阔温度范围内存在稳定的向列序参量。
• 观测行为与包含外部或自发应变的 GL 理论均不一致，表明 GL 方法在描述掺杂拓扑绝缘体中的向列超导性时失效。
• 转变展宽（∆T）可忽略不计，且在 Tc(H) > 0.85Tc(0) 时，最大和最小 Hc2 方向的展宽几乎相同，排除了展宽作为各向异性抑制原因的可能性。
• 数据表明，超导序参量与应变之间的耦合可能在 Tc 处消失，导致有限但不发散的归一化应变 δ/A，这与标准 GL 预测不一致。