[论文解读] Time reversal symmetry breaking superconductors

K. I. Wysokiński|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2019

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 1

一句话总结

本文综述了时间反演对称性（TRS）破缺超导体，重点讨论了Sr2RuO4作为手征性p波超导体的典型实例。文章提出了一种多轨道机制来解释本征极化Kerr效应，揭示了在具有自旋-轨道耦合的多带系统中该效应的普遍起源，解释了实验观测结果，并可推广至其他非传统超导体。

ABSTRACT

The paper reviews recent work on time reversal symmetry (TRS) breaking superconductors. The family of TRS breaking superconductors is growing relatively fast, with many of its newly discovered members being non-centrosymmetric. However, many of the superconductors which possess center of inversion also break TRS. The TRS is often identified by means of the muon spin relaxation effect ($\mu$SR) or/and the Kerr effect. Both methods effectively measure the spontaneous appearance of the bulk magnetic field below superconducting transition temperature. One of the systems most carefully studied so far is Sr$_2$RuO$_4$ believed to be spin triplet chiral p-wave superconductor. This compound provides an example of the material whose many band, multi-condensate modelling has enjoyed a number of successes. We discuss in some details the properties of the material. Among them is the polar Kerr effect, which understanding has resulted in the discovery of the novel mechanism of the phenomenon. The mechanism is universal and thus applicable to all systems with multiorbital character of states at the Fermi energy.

研究动机与目标

• 综述时间反演对称性（TRS）破缺超导体的最新实验与理论进展，特别是具有非传统配对的体系。
• 解释通过μ子自旋弛豫（µSR）和极化Kerr效应检测TRS破缺的机制，这些方法揭示了在Tc以下出现的自发体磁化强度。
• 提供Sr2RuO4中极化Kerr效应的详细理论框架，强调其多轨道与多带电子结构。
• 建立多轨道系统中本征Kerr效应的普遍机制，适用于Sr2RuO4以外的体系。
• 将观测到的Kerr效应与手征性p波配对态及其拓扑性质（包括Majorana费米子的潜在实现）相联系。

提出的方法

• 利用μ子自旋弛豫（µSR）和极化Kerr效应测量，检测超导体中表明TRS破缺的自发磁化强度。
• 应用多带、多轨道紧束缚模型描述Sr2RuO4的电子结构，包含自旋-轨道耦合。
• 通过线性响应理论，从自旋-轨道耦合与手征性p波配对的相互作用中推导出本征Kerr效应。
• 分析多带超导体的电磁响应，识别出一种与杂质无关的新Kerr旋转机制。
• 考虑轨道自由度与自旋自由度在手征性超导体中产生非零横向霍尔电导率的作用。
• 将理论预测与Sr2RuO4、UPt3及其他体系的实验数据进行比较，以验证所提出的机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 Sr2RuO4中本征极化Kerr效应的起源是什么？它与杂质引起的贡献有何不同？
• RQ2 Sr2RuO4费米面上的多轨道特性如何使其成为手征性超导体中Kerr效应的普遍机制的基础？
• RQ3 自旋-轨道耦合在非中心对称与中心对称TRS破缺超导体中，对Kerr效应出现的介导作用有多大？
• RQ4 Sr2RuO4中观测到的Kerr信号是否可在不假设外部效应（如结构域壁或杂质）的前提下得到解释？
• RQ5 该机制对探测其他非传统超导体中手征性配对有何启示？

主要发现

• Sr2RuO4中本征极化Kerr效应源于费米能级附近电子态的多轨道特性，其机制由自旋-轨道耦合介导。
• 识别出一种新颖且普遍的Kerr效应机制，基于手征性px±ipy超导体中的衍射样倾斜散射，与杂质无关。
• 证明Sr2RuO4中的Kerr信号对无序具有鲁棒性，其起源于本征的手征性配对态与轨道纹理。
• 理论建模证实Kerr旋转与手征性配对幅度及自旋-轨道耦合强度成正比。
• 该机制可解释Sr2RuO4中的实验观测，并推广至UPt3和URu2Si2等其他体系，表明其具有广泛适用性。
• 多带模型成功解释了Kerr效应的各向异性和温度依赖性，支持手征性p波配对态的存在。