[论文解读] Field-induced tuning of the pairing state in a superconductor

Adrien Rosuel, C. Marcenat+13 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2022

Rare-earth and actinide compounds被引用 11

一句话总结

本研究首次报告了在沿所有三个晶轴方向施加磁场时，UTe₂ 的完整热力学相图，揭示了在磁场调控下从低场自旋三重态到高场自旋单重态超导态的转变。关键发现是在 *b* 轴方向高场下，超导相内存在一个明显的相变，强烈表明磁场诱导了配对强度增强以及配对对称性的反转，这一现象在超导体中尚属首次。

ABSTRACT

The recently discovered superconductor UTe$_2$, with a T$_c$ between 1.5~K and 2~K, is attracting much attention due to strong suspicion of spin-triplet and topological superconductivity. Its properties under magnetic field are also remarkable, with field-reinforced and field-induced superconducting phases. Here, we report the first complete thermodynamic determination of the phase diagram for fields applied along the three crystallographic directions. Measurements were performed up to 36~T along the hard magnetisation $b$~axis in order to follow the superconducting transition up to the metamagnetic transition at $H_{m} = 34.75$~T. They reveal the existence of a phase transition line within the superconducting phase, and drastic differences occurring between these two phases. Detailed analysis supports a different spin state between the two phases, implying a low-field spin-triplet to high-field spin-singlet transition, a unique case among superconductors, giving insight on the mechanisms leading to spin-triplet superconductivity.

研究动机与目标

• 确定在沿三个晶轴方向（*a*、*b*、*c*）施加磁场时，UTe₂ 的完整热力学相图。
• 解决长期存在的疑问：即 UTe₂ 中观察到的磁场增强超导相是否具有与低场相不同的配对对称性。
• 研究在高场下，特别是沿 *b* 轴方向，上临界场 *H*_c2 增强的起源及其对配对对称性的意义。
• 确定是否存在一个热力学相变将 UTe₂ 中的低场和高场超导相分隔开，这将意味着存在不同的配对机制。
• 检验假设：磁场可诱导该非传统超导体中自旋三重态向自旋单重态配对的转变。

提出的方法

• 在单晶 UTe₂ 样品上进行高达 36 T 的高精度比热测量，以绘制超导转变温度 *T*_c 随磁场大小和方向的变化关系。
• 在 (*b*, *c*) 平面内进行角度依赖的比热测量，以探测超导相变对磁场取向的依赖性。
• 采用高斯展宽分析方法处理比热异常，以考虑反铁磁转变场 *H*_m 的分布，其中 σ = 0.19 T。
• 应用场依赖的配对强度模型 *λ*(*H*/*H*_m)，将 *H*_c2 与 *T*_c 关联，并通过 ∂*T*_c/∂*H*_m 提取 *T*_c 对 *H*_m 的敏感度。
• 将包含和不包含泡利限制的 *H*_c2 理论模型进行比较，以评估配对对称性对观察到的比热异常展宽的影响。
• 通过在 *C*/*T* 数据上应用高斯峰拟合程序，绘制相边界，以提取不同磁场角度和大小下的 *T*_c。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 *b* 轴方向观察到的磁场增强超导相是否代表一个具有不同配对对称性的独立热力学相？
• RQ2 在高磁场下，UTe₂ 的超导态内是否存在一个热力学相变，表明配对机制发生了改变？
• RQ3 观察到的高场下 *H*_c2 的增强是否可由自旋三重态向自旋单重态配对的磁场调控转变来解释？
• RQ4 配对强度 *λ*(*H*) 的磁场依赖性如何影响比热异常的展宽？这对潜在的配对对称性有何含义？
• RQ5 反铁磁转变场 *H*_m 的分布在此前观察到的比热特征形成中起什么作用？

主要发现

• 沿 *a* 轴方向，*T*_c 附近 *H*_c2 显现出强烈的负曲率，表明在低磁场下配对强度显著被抑制。
• 沿 *b* 轴方向，高达 36 T 的比热测量证实存在一个体材料磁场增强的超导相，其临界场 *H*_c2 超过 30 T。
• 在 *b* 轴方向高磁场下，超导相内观察到一条清晰的相变线，将低场相与高场相分隔开。
• 低场和高场超导相表现出截然不同的热力学行为，表明存在不同的配对机制。
• 对 *T*_c 和 *H*_c2 的磁场依赖性的详细分析，支持在高磁场下发生从自旋三重态到自旋单重态配对态的转变，这是超导体中前所未有的现象。
• 当在 *H*_c2 模型中包含泡利限制时，比热异常的展宽显著增大，表明在自旋单重态配对下对 *H*_m 分布的敏感度更强。