[论文解读] Helical vortex phase in the non-centrosymmetric CePt_3Si

Raminder Kaur, D. F. Agterberg+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2004

Rare-earth and actinide compounds被引用 6

一句话总结

本文提出，在面内磁场作用下，非中心对称超导体CePt3Si由于自旋-轨道耦合而形成螺旋涡旋相，该相抑制了自旋极化配对破坏，从而解释了异常高的上临界场。该螺旋序可通过约瑟夫森结实验检测，表现为磁致干涉图样，其中横向磁化强度是关键特征。

ABSTRACT

We consider the role of magnetic fields on the broken inversion superconductor CePt_3Si. We show that upper critical field for a field along the c-axis exhibits a much weaker paramagnetic effect than for a field applied perpendicular to the c-axis. The in-plane paramagnetic effect is strongly reduced by the appearance of helical structure in the order parameter. We find that to get good agreement between theory and recent experimental measurements of H_{c2}, this helical structure is required. We propose a Josephson junction experiment that can be used to detect this helical order. In particular, we predict that Josephson current will exhibit a magnetic interference pattern for a magnetic field applied perpendicular to the junction normal. We also discuss unusual magnetic effects associated with the helical order.

研究动机与目标

• 解释尽管存在强自旋极化效应，CePt3Si中上临界场Hc2为何异常高的原因。
• 理解非中心对称超导体CePt3Si中自旋极化配对破坏的各向异性抑制机制。
• 提出一种机制——螺旋涡旋序——解释面内磁场下自旋极化效应如何被抑制。
• 通过约瑟夫森结实验提供直接的实验检测方法，以探测螺旋相因子。
• 预测由螺旋序产生的横向磁化强度，提供另一种检测手段。

提出的方法

• 使用包含Rashba自旋-轨道耦合的双带模型来描述CePt3Si的电子结构。
• 采用类似吉茨伯格-朗道的自由能方法，建立在具有和不具有反演对称性的两个超导体之间的约瑟夫森结模型。
• 推导约瑟夫森电流关于相位差的表达式，其中包含波矢q垂直于外磁场的螺旋序参数。
• 计算约瑟夫森电流中的干涉图样，显示与磁场和qL相关的弗劳恩霍费型调制。
• 利用关系式m ∝ n × J0计算由螺旋序引起的横向磁化强度，其中n为涡旋芯方向的单位矢量。
• 在Tc附近进行微观计算，将螺旋波矢q与磁场和材料参数关联起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在强Zeeman分裂下，CePt3Si中沿c轴的上临界场Hc2仍保持较高，且无明显自旋极化抑制？
• RQ2 CePt3Si中缺乏反演对称性如何导致面内磁场下自旋极化配对破坏的抑制？
• RQ3 CePt3Si中的螺旋涡旋相能否被实验探测？其在约瑟夫森结中会产生何种信号？
• RQ4 由螺旋序参数预测的横向磁化强度具有何种物理本质？
• RQ5 螺旋序如何改变非中心对称超导体结中的约瑟夫森电流？

主要发现

• 当磁场沿c轴时，上临界场Hc2的自旋极化抑制可忽略不计，与常规超导体一致。
• 对于面内磁场，由于形成波矢q垂直于磁场的螺旋涡旋相，自旋极化效应被强烈抑制。
• 螺旋序能够解释实验测得的Hc2数据，包括小的各向异性比（T=0时Hc2^c / Hc2^ab = 1.18）以及看似不存在自旋极化极限的现象。
• 在结平面内使用非中心对称超导体（CePt3Si）并施加垂直磁场的约瑟夫森结实验中，电流表现出弗劳恩霍费型干涉图样。
• 约瑟夫森电流表现出周期与qL相关的振荡；当|qL| >> 1时，额外施加面外磁场会使图样变得不对称。
• 在具有超电流流动的薄膜中，预测可产生约0.02高斯的横向磁化强度，源于螺旋序，提供了一种替代的探测通道。