[论文解读] Visualizing the melting of the charge density wave in UTe2 by generation of pairs of topological defects with opposite winding

Anuva Aishwarya, Julian May-Mann+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2023

Rare-earth and actinide compounds被引用 4

一句话总结

本研究利用扫描隧道显微镜，通过生成具有相反相位缠绕的拓扑缺陷，可视化了在重费米子超导体 UTe2 中，磁场如何诱导电荷密度波（CDW）的熔化。这些缺陷与 CDW 幅度的消失相关，且随磁场增强而增加，支持一种吉纳斯堡-朗道模型，即超导与成对密度波涡旋共同产生 CDW 缺陷，表明 UTe2 表面存在母体成对密度波序。

ABSTRACT

Topological defects are singularities in an ordered phase that can have a profound effect on phase transitions and serve as a window into the order parameter. In this work we use scanning tunneling microscopy to visualize the role of topological defects in the novel magnetic field induced disappearance of an intertwined charge density wave (CDW) in the heavy fermion superconductor, UTe2. By simultaneously imaging the amplitude and phase of the CDW order, we reveal pairs of topological defects with positive and negative phase winding. The pairs are directly correlated with a zero CDW amplitude and increase in number with increasing magnetic field. These observations can be captured by a Ginzburg Landau model of a uniform superconductor coexisting with a pair density wave. A magnetic field generates vortices of the superconducting and pair density wave order which can create topological defects in the CDW and induce the experimentally observed melting of the CDW at the upper critical field. Our work reveals the important role of magnetic field generated topological defects in the melting the CDW order parameter in UTe2 and provides support for the existence of a parent pair density wave order on the surface of UTe2.

研究动机与目标

• 理解磁场诱导重费米子超导体 UTe2 中电荷密度波（CDW）消失的机制。
• 研究拓扑缺陷在 CDW 熔化转变中的作用。
• 确定所观测到的 CDW 熔化是否由共存的成对密度波（PDW）序中的涡旋驱动。
• 检验假设：具有相反缠绕的拓扑缺陷是 CDW 序参量抑制的标志。

提出的方法

• 利用扫描隧道显微镜（STM）同时成像 UTe2 中 CDW 有序的幅值与相位。
• 相位敏感的 STM 测量使直接观测具有正负相位缠绕的拓扑缺陷成为可能。
• 系统测绘了缺陷密度与 CDW 幅值在上临界磁场范围内的磁场依赖性。
• 应用吉纳斯堡-朗道模型描述共存的超导与成对密度波有序，其中涡旋诱导 CDW 缺陷。
• 该模型预测：超导与 PDW 通道中的涡旋会在 CDW 有序参量中产生拓扑缺陷。
• 缺陷对与 CDW 幅值为零的区域相关联，证实其在 CDW 熔化中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在磁场作用下，具有相反相位缠绕的拓扑缺陷如何促进 UTe2 中电荷密度波的熔化？
• RQ2 随着磁场增加，所观测到的缺陷对数量增加的根源是什么？
• RQ3 吉纳斯堡-朗道框架能否解释共存超导与成对密度波有序中，由涡旋诱导 CDW 缺陷的生成？
• RQ4 所观测到的 CDW 熔化是否与 UTe2 表面的母体成对密度波态一致？
• RQ5 拓扑缺陷与 CDW 幅值抑制之间的空间关系如何？

主要发现

• 通过相位敏感的扫描隧道显微镜，直接观测到了 UTe2 中具有相反相位缠绕的拓扑缺陷对。
• 缺陷对的数量随磁场增加而增加，且与 CDW 幅值的抑制相关。
• 缺陷对在 CDW 幅值消失的区域空间局域化，表明其在 CDW 熔化中的作用。
• 实验观测结果可被一个描述超导与成对密度波共存的吉纳斯堡-朗道模型定量捕捉。
• 结果为 UTe2 表面存在母体成对密度波序提供了有力证据，该序生成涡旋并诱导 CDW 拓扑缺陷。
• 磁场诱导的 CDW 熔化由涡旋介导的拓扑缺陷生成驱动，将超导与 CDW 有序参量联系起来。