[论文解读] The fate of time-reversal symmetry breaking in UTe2

M. O. Ajeesh, M M Bordelon+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2023

Rare-earth and actinide compounds被引用 6

一句话总结

本研究通过化学气相传输（CVT）和熔盐助溶剂（MSF）法生长的高质量单晶，利用偏振 Kerr 效应（PKE）测量，研究了超导体 UTe2 中时间反演对称性破缺。尽管先前研究显示存在可由磁场调控的 Kerr 信号，但作者在零磁场下未发现自发 Kerr 旋转，表明超导态本身并未内在地破缺时间反演对称性。相反，观测到的可由磁场调控的信号源于非均匀磁性区域，这限制了超导序参量为具有空间变化对称性破缺的非手性多分量态。

ABSTRACT

Topological superconductivity is a long-sought state of matter in bulk materials, and odd-parity superconductor UTe$_2$ is a prime candidate. The recent observation of a field-trainable spontaneous Kerr signal in UTe$_2$ at the onset of superconductivity provides strong evidence that the superconducting order parameter is multicomponent and breaks time-reversal symmetry. Here, we perform Kerr effect measurements on a number of UTe$_2$ samples -- grown $via$ both chemical vapor transport and the molten-salt-flux methods -- that show a single superconducting transition between 1.6~K and 2.1~K. Our results show no evidence for a spontaneous Kerr signal in zero field measurements. This implies that the superconducting state of UTe$_2$ does not intrinsically break time-reversal symmetry. Instead, we observe a field-trainable signal that varies in magnitude between samples and between different locations on a single sample, which is a sign of inhomogeneous magnetic regions. Our results provide an examination of representative UTe$_2$ samples and place strong constraints on the superconducting order parameter of UTe$_2$.

研究动机与目标

• 确定 UTe2 超导态在高质量单晶中是否内在地破缺时间反演对称性。
• 解决关于 UTe2 中自发 Kerr 效应的相互矛盾报告，特别是针对表现出单个或双个超导转变的样品之间的差异。
• 研究样品非均匀性及磁性非均匀性在产生可由磁场调控的 Kerr 信号中的作用。
• 通过零场和磁场冷却的 PKE 测量，约束 UTe2 中超导序参量的对称性。

提出的方法

• 采用波长为 1550 nm 的基于光纤的零面积 Sagnac 干涉仪进行偏振 Kerr 效应（PKE）测量。
• 通过热脉冲实验探测在 Tc 以下自发 PKE 的出现：短暂加热样品至 Tc 以上，然后在冷却过程中测量 Kerr 旋转。
• 进行磁场冷却、零场加热的 PKE 测量，以研究磁场可调控的 Kerr 效应：在磁场中冷却，然后在升温过程中将磁场归零。
• 样品在绝热去磁制冷机中冷却至基底温度，并通过四探针电阻率测量确定 Tc 和残余电阻率比（RRR）。
• 对抛光面和原始表面均进行了光学测量，以评估表面效应，未发现显著差异。
• 从 Kerr 数据中减去一个小的偏移量，以校正残余磁场（<±5 Oe），该结果通过 Tc 以上的已知磁场-Kerr 响应得到验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在零磁场下的自发 Kerr 旋转，以确认 UTe2 中本征的时间反演对称性破缺？
• RQ2 先前研究中观测到的可由磁场调控的 Kerr 信号是否源于本征手性超导性，还是源于外部非均匀性？
• RQ3 样品生长方法（CVT 与 MSF）以及样品质量（如 RRR、Tc）如何影响 Kerr 信号的存在与否及其大小？
• RQ4 通过μ子自旋共振检测到的非均匀磁性区域，与 UTe2 中观测到的 Kerr 响应在多大程度上相关？
• RQ5 UTe2 中的超导序参量是否真正为多分量且具有手性，还是该信号源于空间变化的对称性破缺？

主要发现

• 在所有 UTe2 样品的零场 PKE 测量中均未观测到自发 Kerr 旋转，表明超导态中时间反演对称性并未内在破缺。
• 观测到可由磁场调控的 Kerr 信号，但其大小在不同样品之间以及单一样品的不同位置间存在显著差异，表明存在空间非均匀性。
• 可由磁场调控的信号被归因于非均匀磁性区域，而非均匀的手性超导序参量。
• 采用熔盐助溶剂（MSF）法生长的样品表现出更高品质（RRR 达 400–1000）和在 1.6 K 至 2.1 K 之间的单一超导转变，但仍无自发 Kerr 效应。
• 在高质量、单一转变样品中缺乏自发 Kerr 信号，挑战了先前结果作为本征手性超导性证据的解释。
• 结果对超导序参量施加了强烈约束，表明其并非 B3u + iB2u 态，而更可能是一种非手性、具有空间变化对称性破缺的多分量态。