[论文解读] Local spectroscopic evidence for a nodeless magnetic kagome superconductor CeRu$_2$

C. Mielke, H. Liu+12 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2022

Rare-earth and actinide compounds被引用 10

一句话总结

本研究利用μ子自旋共振（μSR）技术，首次提供了直接的局域光谱学证据，表明CeRu₂是一种无节点的超导体，具有各向异性的s波配对对称性，尽管其磁响应极为复杂。关键发现是超导能隙为完全打开的，临界温度约为5 K，且超流密度较低，表明在一种罕见的磁性凯文图格（kagome）晶格体系中存在非传统超导性。

ABSTRACT

We report muon spin rotation ($μ$SR) experiments on the microscopic properties of superconductivity and magnetism in the kagome superconductor CeRu$_{2}$ with $T_{ m c}$~${\simeq}$~5~K. From the measurements of the temperature-dependent magnetic penetration depth $λ$, the superconducting order parameter exhibits nodeless pairing, which fits best to an anisotropic $s$-wave gap symmetry. We further show that the $T_{ m c}$/$λ^{-2}$ ratio is comparable to that of unconventional superconductors. Furthermore, the powerful combination of zero-field (ZF)-$μ$SR and high-field $μ$SR has been used to uncover magnetic responses across three characteristic temperatures, identified as $T_1^*$~${\simeq}$~110~K, $T_2^*$~${\simeq}$~65~K, and $T_3^*$~${\simeq}$~40~K. Our experiments classify CeRu$_{2}$ as an exceedingly rare nodeless magnetic kagome superconductor.

研究动机与目标

• 通过局域探针光谱学方法，确定凯文图格超导体CeRu₂中的超导能隙对称性。
• 研究在高Tc的f电子凯文图格体系中，超导性与磁性之间的相互作用。
• 通过高灵敏度μSR测量，识别CeRu₂中观察到的多重磁性转变的起源与本质。
• 通过分析磁穿透深度与超流密度，评估CeRu₂中超导态是否为非传统超导。
• 阐明Ce 4f电子与Ru d电子关联在无电荷序条件下介导无节点超导性的机制。

提出的方法

• 开展零场（ZF）-μSR与高场μSR实验，以探测局域磁响应并检测自发磁场所致效应。
• 从μSR数据中测量磁穿透深度λ(T)的温度依赖性，以推断超导能隙结构。
• 利用伦敦穿透深度λ−2(T)提取超流密度，并评估配对对称性。
• 分析零场下的μSR弛豫率信号，识别出三个特征温度（T₁* ≈ 110 K，T₂* ≈ 65 K，T₃* ≈ 40 K），分别对应于磁有序转变。
• 将Tc/λ−2比值与已知的非传统超导体进行比较，以评估超导性的本质。
• 将μSR结果与高场霍尔电阻率数据相关联，确认磁异常的电子起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 CeRu₂中超导能隙的对称性是什么？其是否具有节点或完全打开的能隙？
• RQ2 在CeRu₂中观察到的110 K、65 K和40 K处的三个显著磁性转变的起源是什么？
• RQ3 在外加磁场下，CeRu₂中的磁响应如何演化？这对其磁性本质有何启示？
• RQ4 CeRu₂中的超导性是否为非传统超导，如其超流密度与配对对称性所指示的那样？
• RQ5 Ce 4f电子与Ru d电子之间的相互作用如何影响该凯文图格晶格体系中超导性与磁性的共存？

主要发现

• CeRu₂中的超导能隙为无节点，其磁穿透深度的温度依赖性最佳符合各向异性的s波配对对称性。
• 临界温度Tc ≈ 5 K与其它凯文图格超导体相当，但超流密度较低，表明其为非传统配对。
• 在T₁* ≈ 110 K、T₂* ≈ 65 K和T₃* ≈ 40 K处识别出三个显著的磁性转变，源于Ce 4f与Ru d电子之间的复杂相互作用。
• 在外加磁场下，磁响应显著增强，8 T磁场下的弛豫率相比零场提高了两个数量级。
• ZF-μSR信号明确显示异常具有电子/磁性起源，因为核贡献对磁场变化不敏感。
• 高场μSR结果与高场霍尔电阻率数据一致，证实了磁性特征的电子起源，并支持存在巡游反铁磁性的存在。