[论文解读] Multiorbital spin-triplet pairing and spin resonance in the heavy-fermion superconductor $\mathrm{UTe_2}$

Lei Chen, Haoyu Hu+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2021

Iron-based superconductors research被引用 4

一句话总结

该论文通过提出一种多轨道自旋三重态配对态，解决了UTe₂中自旋三重态超导与反铁磁自旋共振共存的悖论，其中配对矩阵不与动能哈密顿量对易。由此产生的能带内配对分量自然在反铁磁波矢处产生自旋共振，通过强关联体系中的轨道自由度，调和了三重态配对与反铁磁自旋涨落之间的矛盾。

ABSTRACT

The heavy-fermion system $\mathrm{UTe_2}$ is a candidate for spin-triplet superconductivity, which is of considerable interest to quantum engineering. Among the outstanding issues is the nature of the pairing state. A recent surprising discovery is the observation of a resonance in the spin excitation spectrum at an antiferromagnetic wavevector [C. Duan {\it et al.}, Nature extbf{600}, 636 (2021)], which stands in apparent contrast to the ferromagnetic nature of the interactions expected in this system. We show how the puzzle can be resolved by a multiorbital spin-triplet pairing constructed from local degrees of freedom. Because it does not commute with the kinetic part of the Hamiltonian, the pairing contains both intra- and inter-band terms in the band basis. We demonstrate that the intraband pairing component naturally yields a spin resonance at the antiferromagnetic wavevector. Our work illustrates how orbital degrees of freedom can enrich the nature and properties of spin-triplet superconductivity of strongly-correlated quantum materials.

研究动机与目标

• 解决自旋三重态超导与在UTe₂中观测到的反铁磁自旋共振之间的明显矛盾。
• 理解在反铁磁自旋涨落占主导的体系中，自旋三重态配对如何产生。
• 证明在强关联的UTe₂中，轨道自由度可实现一种同时支持三重态配对与反铁磁自旋共振的配对态。
• 建立一个理论框架，其中配对矩阵与动能项的非对易性导致混合的能带内与能带间配对分量。
• 为未来对UTe₂中自旋共振能量与多重配对间隙的定量研究奠定基础。

提出的方法

• 利用与原胞中U位点相关的亚晶格和轨道自由度，构建多轨道自旋三重态配对态。
• 将配对建模为自旋与轨道空间中的矩阵，其不与哈密顿量的动能部分对易。
• 将配对变换到能带表象，揭示出能带内与能带间配对分量。
• 证明自旋三重态配对的能带内分量自然在反铁磁波矢处产生自旋共振。
• 使用最小模型演示原理机制，重点研究铁磁二聚体相互作用与反铁磁单元间相互作用的相互作用。
• 将框架推广至非幺正配对，允许时间反演对称性破缺，并在Bogoliubov-de Gennes谱中引入额外分裂。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋三重态超导如何能在UTe₂中与反铁磁自旋涨落共存？
• RQ2 何种机制使自旋三重态配对态在反铁磁波矢处产生自旋共振？
• RQ3 UTe₂中的轨道自由度如何影响超导配对态的结构与性质？
• RQ4 为何在超导态中观测到的自旋共振不与UTe₂中预期的铁磁性相互作用相矛盾？
• RQ5 多轨道配对框架能否同时解释三重态配对与在反铁磁波矢处出现的共振？

主要发现

• UTe₂中的多轨道自旋三重态配对态与动能哈密顿量非对易，导致在能带表象中出现混合的能带内与能带间配对分量。
• 能带内配对分量自然在反铁磁波矢处产生自旋共振，解决了该体系的核心悖论。
• 配对机制由二聚体内的主导铁磁相互作用与单元间的反铁磁相互作用所驱动，与观测到的自旋涨落一致。
• 尽管共振源于能带内分量，但整体配对的自旋三重态特性得以保持。
• 该框架对推广至非幺正配对具有鲁棒性，可导致时间反演对称性破缺，并在Bogoliubov-de Gennes谱中引入额外分裂。
• 该模型为其他关联体系（如铁基超导体和CeCu₂Si₂）提供了概念性桥梁，表明多轨道配对在量子材料中具有广泛的相关性。