[论文解读] Point Node Gap Structure of Spin-Triplet Superconductor UTe2

Tristin Metz, Seokjin Bae+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2019

Rare-earth and actinide compounds被引用 16

一句话总结

本研究基于热导率、磁穿透深度和比热测量的综合结果，确立了UTe2具有自旋三重态超导态，其超导能隙存在点节点。零场下极低的剩余热导率及穿透深度的二次温度依赖关系，证实了低能准粒子激发与点节点一致；而态密度中发散的量子临界贡献则解释了异常的比热行为，恢复了熵平衡，并支持了超导态中电子比热的T³依赖关系。

ABSTRACT

Low-temperature electrical and thermal transport, magnetic penetration depth, and heat capacity measurements were performed on single crystals of the actinide superconductor UTe2 to determine the structure of the superconducting energy gap. Heat transport measurements performed with currents directed along both crystallographic a- and b-axes reveal a vanishingly small residual fermionic component of the thermal conductivity. The magnetic field dependence of the residual term follows a rapid, quasi-linear increase consistent with the presence of nodal quasiparticles, rising toward the a-axis upper critical field where the Wiedemann-Franz law is recovered. Together with a quadratic temperature dependence of the magnetic penetration depth up to T/T_c=0.3, these measurements provide evidence for an unconventional spin-triplet superconducting order parameter with point nodes. Millikelvin specific heat measurements performed on the same crystals used for thermal transport reveal an upturn below 300 mK that is well described by a divergent quantum-critical contribution to the density of states (DOS). Modeling this contribution with a T^{-1/3} power law allows restoration of the full entropy balance in the superconducting state and a resultant cubic power law for the electronic DOS below T_c, consistent with the point-node gap structure determined by thermal conductivity and penetration depth measurements.

研究动机与目标

• 确定锕系超导体UTe2中的超导能隙结构，该材料表现出铁磁涨落与非传统超导性的共存。
• 解决长期以来比热测量中的不一致问题：即高达正常态50%的剩余电子比热项暗示存在未配对流体，与熵平衡相矛盾。
• 调和比热中剩余T线性项与热导率中未检测到费米子贡献之间的矛盾解释。
• 确定UTe2中的超导态是否与自旋三重态配对及节点能隙对称性一致，鉴于其具有高上临界磁场且超导转变时无Knight位移变化。

提出的方法

• 在UTe2单晶上沿a轴和b轴施加电流，测量热导率，以探测准粒子激发的各向异性。
• 测量磁穿透深度随温度（最高至T/Tc = 0.3）的变化，以评估超导能隙的温度依赖性，其中T²的二次依赖关系表明存在节点结构。
• 对与热输运测量相同的单晶进行毫开尔文温度区间的比热测量，以分析低温行为并识别非声子贡献。
• 将低场下C/T的低温上翘行为拟合为T⁻¹/³形式的幂律发散，以建模态密度中的量子临界贡献。
• 通过调整Tc使超导态与正常态中C_el/T的积分相等，强制实现熵平衡，从而验证提取的电子比热。
• 基于D2H点群对称性的理论建模用于约束可能的配对通道，支持具有点节点的自旋三重态配对。

实验结果

研究问题

• RQ1 UTe2中观察到的比热剩余T线性项是源于未配对流体，还是源于态密度中发散的量子临界贡献？
• RQ2 尽管存在较大的剩余比热项，为何零磁场下的剩余热导率极低？
• RQ3 UTe2中超导能隙的对称性是什么？其是否支持与自旋三重态配对一致的点节点？
• RQ4 如何调和正常态与超导态之间看似存在的熵不平衡与观测到的热学与输运性质之间的矛盾？
• RQ5 观测到的磁穿透深度的二次温度依赖关系是否与节点能隙结构一致？这对节点取向有何含义？

主要发现

• 零磁场下剩余费米子热导率极低，排除了存在显著未配对准粒子或非单位配对态的可能性。
• 剩余热导率的磁场依赖关系表现出快速、准线性增加，与节点准粒子的出现及a轴Hc2附近Wiedemann-Franz定律的恢复一致。
• 磁穿透深度在T/Tc = 0.3范围内表现出二次温度依赖关系（Δλ(T) ∝ T²），这是超导能隙中存在点节点的典型特征。
• 低温比热在300 mK以下表现出明显的上翘，可由T⁻¹/³幂律发散良好描述，表明态密度中存在量子临界贡献。
• 在减去发散的量子临界项后，超导态中的电子比热遵循T²依赖关系，与点节点能隙结构及完整的熵平衡一致。
• 综合分析恢复了正常态与超导态之间的完整熵平衡，并证实电子态密度满足立方幂律（DOS ∝ T²），支持ab面内具有点节点的自旋三重态配对。