[论文解读] Evidence for broken time-reversal symmetry in the superconducting phase of URu$_2$Si$_2$

Elizabeth Schemm, R. E. Baumbach+4 more|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|Oct 6, 2014

Rare-earth and actinide compounds被引用 7

一句话总结

本研究通过高质量单晶的偏振 Kerr 效应（PKE）测量，为 URu₂Si₂ 超导态中时间反演对称性（TRS）的破缺提供了直接实验证据。在 Tc ≈ 1.5 K 以下，出现一个微小但可重复的本征 Kerr 信号，与具有 E_g 对称性的手性 d 波超导序参量一致，其复数能隙函数为 Δ(k) ∝ sin(k_z c/2)(sin((k_x+k_y)a/2) ± i sin((k_x−k_y)a/2))，通过沿 c 轴的有限成对角动量破缺 TRS。

ABSTRACT

Recent experimental and theoretical interest in the superconducting phase of the heavy fermion material URu$_2$Si$_2$ has led to a number of proposals in which the superconducting order parameter breaks time-reversal symmetry (TRS). In this study we measured polar Kerr effect (PKE) as a function of temperature for several high-quality single crystals of URu$_2$Si$_2$. We find an onset of PKE below the superconducting transition that is consistent with a TRS-breaking order parameter. This effect appears to be independent of an additional, possibly extrinsic, PKE generated above the hidden order transition at $T_{HO}=17.5$ K, and contains structure below $T_c$ suggestive of additional physics within the superconducting state.

研究动机与目标

• 确定 URu₂Si₂ 的超导态是否破缺时间反演对称性（TRS），这是非常规配对的关键特征。
• 区分由隐藏序相或磁性杂质引起的外源性 TRS 破缺与本征 TRS 破缺。
• 通过直接光学探测识别先前未解释的超导态中低温异常现象的本质。
• 检验手性超导性的理论模型，包括 E_g 对称性以及具有自旋子晶格纹理的混合单重态-三重态配对。

提出的方法

• 在温度低至 300 mK 的高质量 URu₂Si₂ 单晶上进行偏振 Kerr 效应（PKE）测量。
• 采用 Sagnac 干涉仪装置，检测与三维霍尔电导率 σ_xy 的虚部成正比的 Kerr 角。
• 通过施加磁场对样品进行场训练，以探究 Kerr 信号的起源，并区分本征与外源性贡献。
• 利用电阻率和剩余电阻率比（RRR）测量表征样品质量及超导转变温度 Tc。
• 通过理论建模间隙函数 Δ(k) = Δ₀ sin(k_z c/2)(sin((k_x+k_y)a/2) ± i sin((k_x−k_y)a/2))，预测 TRSB 与 PKE。
• 与已知具有 TRSB 的超导体 Sr₂RuO₄ 和 UPt₃ 进行对比分析，为解释 PKE 信号提供背景参考。

实验结果

研究问题

• RQ1 URu₂Si₂ 的超导态是否如手性 d 波配对模型所预测的那样破缺时间反演对称性？
• RQ2 所观测到的偏振 Kerr 效应是否源于超导态本身，还是受隐藏序转变或磁性杂质等外源因素影响？
• RQ3 在约 1 K 处观测到的额外 PKE 异常由何引起，其与超导能隙结构有何关联？
• RQ4 PKE 信号是否可被磁场调控，这对其起源及超导序参量的本质意味着什么？
• RQ5 所观测到的 PKE 结果与 URu₂Si₂ 中超导性的其他理论模型（如混合单重态-三重态配对或双相变情景）相比如何？

主要发现

• 在 Tc ≈ 1.5 K 以下，出现一个微小但可重复的偏振 Kerr 效应，约为 ~160 纳弧度，表明超导态中存在本征的时间反演对称性破缺。
• Kerr 信号具有场可调性，且与约 25 K 附近的高温 PKE 信号无关，表明其起源不同，支持超导态中 TRSB 的本征性。
• 在 ~0.8–1 K 处出现一个额外的 PKE 异常，该现象在已知超导体中独一无二，提示存在超越标准 E_g 手性 d 波模型的物理机制。
• 所观测到的 TRSB 与形式为 Δ(k) ∝ sin(k_z c/2)(sin((k_x+k_y)a/2) ± i sin((k_x−k_y)a/2)) 的手性 d 波超导序参量一致，该序参量通过沿 c 轴的有限成对角动量破缺 TRS。
• 数据与近期关于高磁场下平面内 TRSB 矩的报告不一致，提示可能存在磁场诱导相变或有限磁场下的不同配对态。
• 结果支持涉及沿 c 轴具有点节点、在 k_z = 0 和 ±2π/c 处具有线节点的手性 d 波配对理论模型，且与近期 μSR 数据显示的超导态内磁场一致。