[论文解读] $c$-axis transport in UTe$_{2}$: Evidence of Three Dimensional Conductivity Component

Yun Suk Eo, Shouzheng Liu+14 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2021

Rare-earth and actinide compounds被引用 7

一句话总结

本研究采用广义Montgomery技术，沿所有三个晶轴测量了UTe₂的电电阻率，发现在Kondo相干温度以上，c轴输运表现出出人意料的各向同性。c轴电阻率在约10 K处出现显著峰值，表明存在一种与Kondo屏蔽无关的磁散射机制，暗示存在多个输运通道，且该磁交叉尺度对理解此自旋三重态材料中的超导性至关重要。

ABSTRACT

We study the temperature dependence of electrical resistivity for currents directed along all crystallographic axes of the spin-triplet superconductor UTe$_{2}$. We focus particularly on an accurate determination of the resistivity along the $c$-axis ($ρ_c$) by using a generalized Montgomery technique that allows extraction of crystallographic resistivity components from a single sample. In contrast to expectations from the observed highly anisotropic band structure, our measurement of the absolute values of resistivities in all current directions reveals a surprisingly nearly isotropic transport behavior at temperatures above Kondo coherence, with $ρ_c \sim ρ_b \sim 2ρ_a$, that evolves to reveal qualitatively distinct behaviors on cooling. The temperature dependence of $ρ_c$ exhibits a peak at a temperature much lower than the onset of Kondo coherence observed in $ρ_a$ and $ρ_b$, consistent with features in magnetotransport and magnetization that point to a magnetic origin. A comparison to the temperature-dependent evolution of the scattering rate observed in angle-resolved photoemission spectroscopy experiments provides important insights into the underlying electronic structure necessary for building a microscopic model of superconductivity in UTe$_{2}$.

研究动机与目标

• 以高精度测定UTe₂中沿所有三个晶轴（a、b、c）的绝对电阻率。
• 通过在单晶上应用广义Montgomery技术，解决c轴输运长期存在的模糊性。
• 研究c轴方向异常电阻率行为的起源，特别是其与预期各向异性的偏离。
• 通过与磁电输运和角分辨光电子能谱（ARPES）数据对比，将电阻率异常与磁激发谱和散射机制联系起来。
• 为构建UTe₂中自旋三重态超导性的微观理论，提供关键的正常态电子结构数据。

提出的方法

• 采用广义Montgomery技术，通过控制电流和电压方向的四端测量，从单个各向异性晶体中提取出各个电阻率分量（ρₐ、ρ_b、ρ_c）。
• 利用浮区法生长的高质量单晶UTe₂，测量了沿a、b和c轴的温度依赖电阻率。
• 在14 T磁场下进行磁电输运测量，以探测磁场依赖的电阻率，并提取磁阻率（MR）和磁化率变化（ΔM/H），其中磁场方向分别平行于a轴和b轴。
• 将电阻率数据与角分辨光电子能谱（ARPES）结果进行对比，分析温度依赖的散射速率。
• 分析磁化率和磁响应数据，以识别与磁涨落相关的能量尺度。
• 采用居里-外斯分析提取高温磁化率，并评估反铁磁相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何c轴电阻率（ρ_c）在强电子各向异性能带结构下，仍表现出与ρ_a和ρ_b相近的高值且近乎各向同性？
• RQ2 在约10 K处出现的ρ_c显著峰值是由什么引起？该温度远低于ρ_a和ρ_b中观测到的Kondo相干温度（~30–40 K）。
• RQ3 c轴输运特性与a轴和b轴输运特性在定性上如何不同？这对其潜在输运通道有何启示？
• RQ4 导致ρ_c峰值的磁散射机制的本质是什么？其与磁激发谱有何关联？
• RQ5 观测到的电阻率异常与磁化率、磁阻率以及ARPES推导的散射速率特征之间存在何种相关性？

主要发现

• 在高温下，c轴电阻率ρ_c与ρ_a和ρ_b几乎各向同性，且ρ_c ≈ ρ_b ≈ 2ρ_a，这与高度各向异性的能带结构预期相悖。
• ρ_c在约10 K处表现出显著峰值，远低于ρ_a和ρ_b中观测到的Kondo相干温度（~30–40 K）。
• ρ_c的峰值与H ∥ a方向下的磁阻率（MR）和ΔM/H的极小值重合，表明在约10 K处存在主导c轴输运的磁交叉尺度。
• ρ_c的温度依赖性与Kondo屏蔽不一致，反而指向一种能量尺度约为10 K的非Kondo型磁散射机制。
• 观测到的交叉行为与磁化率的量子临界标度（M/T ∝ H/T¹.⁵）一致，暗示在约15 K附近涨落谱发生改变。
• ARPES数据显示，温度依赖的散射速率与ρ_c峰值相关，支持正常态中电子关联与磁涨落之间存在关联。