[论文解读] Chiral superconductivity in UTe2 probed by anisotropic low-energy excitations

K. Ishihara, M. Roppongi+6 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2021

Rare-earth and actinide compounds被引用 4

一句话总结

本研究通过各向异性磁穿透深度测量，在UTe2中识别出手性自旋三重态超导态，揭示了接近2次幂律的温度依赖性，表明存在多个点节点。数据支持非幺正的手性$B_{3u}+iA_u$态，证实时间反演对称性破缺，并支持拓扑马约拉纳准粒子的存在。

ABSTRACT

Chiral spin-triplet superconductivity is a topologically nontrivial pairing state with broken time-reversal symmetry, which can host Majorana quasiparticles. The recently discovered heavy-fermion superconductor UTe$_2$ exhibits peculiar properties of spin-triplet pairing, and the possible chiral state has been actively discussed. However, the symmetry and nodal structure of its order parameter in the bulk, which determine the Majorana surface states, remains controversial. Here we focus on the number and positions of superconducting gap nodes in the ground state of UTe$_2$. Our magnetic penetration depth measurements for three field orientations in the Meissner state reveal the power-law temperature dependence with exponents nearly equal to 2 or less than 2, which excludes single-component spin-triplet states. The anisotropy of low-energy quasiparticle excitations indicates multiple point nodes near the $k_y$- and $k_z$-axes, evidencing that the order parameter has multiple components in a chiral complex form. We find that most consistent is a chiral $B_{3u}+iA_u$ non-unitary state, which provides fundamentals of the topological properties in UTe$_2$.

研究动机与目标

• 确定接近铁磁量子临界点的重费米子超导体UTe2中的超导序参量对称性和节点结构。
• 解决关于UTe2是否具有手性、时间反演对称性破缺且具有拓扑特性的超导态的争议。
• 利用各向异性低能准粒子激发识别超导能隙节点的存在与位置。
• 基于温度依赖的穿透深度各向异性，区分单分量与多分量序参量。
• 建立节点结构与UTe2中潜在拓扑马约拉纳准粒子之间的联系。

提出的方法

• 在三个磁场方向（a、b、c轴）下测量Meissner态中的磁穿透深度（$\Delta\lambda(T)$），以探测各向异性准粒子激发。
• 分析$\Delta\lambda(T)$的幂律温度依赖性以推断节点结构：电流方向上的$T^2$依赖性表明存在节点，其他方向则为$T^4$依赖性。
• 采用隧道二极管振荡器技术，沿a、b和c轴施加弱交流磁场，测量与$\Delta\lambda(T)$成比例的频率偏移。
• 评估奇-parity超导态的理论模型（如$B_{3u}$、$A_u$、$B_{3u}+iA_u$），并将预测的节点位置与$T$-依赖性与实验数据进行比较。
• 通过改变序参量分量系数（$c_4$、$c_5$、$c_6$）进行数值模拟，评估其对$\Delta\lambda$中$n_b$和$n_c$的$T$-依赖性的影响。
• 通过比较球形与真实三维/准二维费米面的费米面几何结构，考虑其影响，注意到$a$轴和$b$轴方向上$n_a$与$n_b$值存在差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 UTe2是否具有时间反演对称性破缺的手性超导态？
• RQ2 UTe2中超导能隙的节点结构是什么？其随磁场方向如何变化？
• RQ3 哪种多分量序参量对称性（如$B_{3u}+iA_u$）最能解释观测到的穿透深度各向异性$T$-依赖性？
• RQ4 不同序参量分量的相对大小如何影响准粒子激发的各向异性？
• RQ5 在某些磁场方向上观测到的类似$T^2$的依赖性是否能证实与电流方向对齐的点节点的存在？

主要发现

• 磁穿透深度$\Delta\lambda(T)$在所有磁场方向上均表现出类似$T^2$的依赖性，表明存在多个点节点，而非线节点或全能隙。
• 不同磁场方向下$\Delta\lambda(T)$的各向异性排除了单分量自旋三重态态，因为后者在垂直于节点方向的电流中应呈现$T^4$依赖性。
• 数据最符合手性$B_{3u}+iA_u$非幺正态，该态支持时间反演对称性破缺和拓扑超导性。
• $A_u$序参量的$c_4$分量被确定为样品依赖的$T$-依赖性指数变化的关键因素，可能源于节点分裂与干涉效应。
• $a$轴方向的准粒子激发显著低于$b$-和$c$-轴方向，与$B_{3u}+iA_u$态中$a$轴方向无节点的预测一致。
• 理论建模表明，真实费米面几何结构（Z点处为三维，准二维片层）比球形费米面近似更符合实验结果，尤其在$n_a$和$n_b$方面。