[论文解读] Identifying the pairing symmetry in the Sr2RuO4 superconductor

Matthias J. Graf, Alexander V. Balatsky|arXiv (Cornell University)|May 31, 2000

Advanced Condensed Matter Physics被引用 6

一句话总结

该论文基于热力学和输运数据，提出Sr2RuO4表现出一种在间隙函数中具有线节点的超导配对态，倾向于自旋三重态f波或自旋单重态dxy波对称性。它认为具有能隙的p波态与测量结果不一致，并建议通过磁场下的超声波和热导率测量作为区分节点态的关键实验。

ABSTRACT

We have analyzed heat capacity and thermal conductivity measurements of Sr2RuO4 in the normal and superconducting state and come to the conclusion that an order parameter with nodal lines on the Fermi surface is required to account for the observed low-temperature behavior. A gapped order parameter is inconsistent with the reported thermodynamic and transport data. Guided by a strongly peaked dynamical susceptibility along the diagonals of the Brillouin zone in neutron scattering data, we suggest a spin-fluctuation mechanism that would favor the pairing state with the gap maxima along the zone diagonals (such as for a d_{xy} gap). The most plausible candidates are an odd parity, spin-triplet, f-wave pairing state, or an even parity, spin-singlet, d-wave state. Based on our analysis of possible pairing functions we propose measurements of the ultrasound attenuation and thermal conductivity in the magnetic field to further constrain the list of possible pairing states.

研究动机与目标

• 利用高质量实验数据解决Sr2RuO4配对对称性长期存在的模糊性。
• 通过证明p波配对模型与比热和热导率测量结果不一致，挑战主流的p波配对模型。
• 基于节点能隙结构，将配对态确定为自旋三重态f波或自旋单重态dxy波。
• 提出针对性实验——磁场下的超声波衰减和热导率测量，以区分剩余候选配对态。
• 将观察到的节点结构与布里渊区中q₀ ≈ (±2π/3, ±2π/3)处的嵌套效应所驱动的自旋涨落机制联系起来。

提出的方法

• 分析高质量单晶和非晶样品的比热和热导率数据，以约束超导能隙结构。
• 利用中子散射数据中在q₀ ≈ (±2π/3, ±2π/3)处观察到的自旋磁化率增强，提出有利于dxy型能隙对称性的自旋涨落配对机制。
• 采用具有与dxy谐函数成比例的能隙函数的二维费米面模型，导致沿kz轴出现线节点。
• 推导出在Born极限下线节点超导体的温度依赖行为（如C ∼ T²，κ ∼ T）特征。
• 预测在面内磁场下热导率的角依赖性，表现出对节点取向敏感的四重对称振荡。
• 计算纵向和横向模式的超声波衰减，显示dxy和p波型态在角响应上存在显著差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 Sr2RuO4中的p波配对态是否与观测到的低温比热和热导率一致？
• RQ2 Sr2RuO4中的超导能隙函数性质如何？是否表现出线节点？
• RQ3 在q₀ ≈ (±2π/3, ±2π/3)处观测到的自旋磁化率峰是否可通过自旋涨落机制解释配对对称性？
• RQ4 磁场下超声波衰减和热导率测量如何帮助区分dxy单重态与f波三重态配对态？
• RQ5 哪些实验信号可证实费米面上节点线的位置？

主要发现

• p波配对态与比热和热导率数据不一致，后者表现出线节点特征的幂律温度依赖关系。
• 低温下热导率数据符合κ ∼ T的依赖关系，支持节点能隙函数而非能隙态。
• dxy波能隙函数（无论自旋单重态或三重态）在kz轴方向产生线节点，并重现了观测到的比热T²依赖关系。
• 超声波衰减测量显示不同的角响应：对于p波，纵波和横波衰减相同；而对于dxy/f波态，尤其在晶体旋转π/4后，两者差异显著。
• 在面内磁场下，预测热导率将表现出四重对称振荡，振幅依赖于散射强度，为节点取向提供直接探测手段。
• 该模型预测费米面上的节点区域集中在嵌套矢量q₀ ≈ (±2π/3, ±2π/3)附近，该处自旋磁化率增强，支持自旋涨落配对机制。