[论文解读] Weyl Superconductivity in UTe2

Ian Hayes, Di Wei+10 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2020

Rare-earth and actinide compounds被引用 20

一句话总结

该论文提供了实验证据，表明UTe₂是一种Weyl超导体，具有两分量、时间反演对称性破缺的超导序参量，并存在手性费米弧表面态。该发现基于偏振Kerr效应和比热测量，证实了具有Weyl点的非单位宇旋三重态配对态，使UTe₂成为量子计算的拓扑平台。

ABSTRACT

The search for a material platform for topological quantum computation has recently focused on unconventional superconductors. Such material systems, where the superconducting order parameter breaks a symmetry of the crystal point group, are capable of hosting novel phenomena, including emergent Majorana quasiparticles. Unique among unconventional superconductors is the recently discovered UTe2, where spin-triplet superconductivity emerges from a paramagnetic normal state. Although UTe2 could be considered a relative of a family of known ferromagnetic superconductors, the unique crystal structure of this material and experimentally suggested zero Curie temperature pose a great challenge to determining the symmetries, magnetism, and topology underlying the superconducting state. These emergent properties will determine the utility of UTe2 for future spintronics and quantum information applications. Here, we report observations of a non-zero polar Kerr effect and of two transitions in the specific heat upon entering the superconducting state, which together show that the superconductivity in UTe2 is characterized by an order parameter with two components that breaks time reversal symmetry. These data allow us to place firm constraints on the symmetries of the order parameter, which strongly suggest that UTe2 is a Weyl superconductor that hosts chiral Fermi arc surface states.

研究动机与目标

• 确定UTe₂中超导态的对称性和拓扑性质，该材料是拓扑量子计算的候选者。
• 解决长期存在的问题：尽管UTe₂具有正交晶系$D_{2h}$点群，时间反演对称性是否仍被破缺。
• 确定解释该材料非常规超导行为（包括高场再进入超导性和手性表面态）的序参量结构。
• 建立观测到的非单位宇旋超导态与超导能隙结构中Weyl费米子出现之间的联系。
• 为支持具有拓扑保护表面态的Weyl超导相提供实验约束，以确定配对对称性。

提出的方法

• 使用Sagnac干涉仪进行偏振Kerr效应测量，通过超导态中的光学活性检测时间反演对称性破缺（TRSB）。
• 比热测量以识别多个超导转变，表明存在两分量序参量。
• 对$D_{2h}$点群进行对称性分析，以分类可能的序参量，重点关注$B_{2u}+iB_{3u}$和$A_u+iB_{1u}$表示。
• 利用对称性允许的$\vec{d}$-矢量形式进行理论建模，其中$f_{x,i}, f_{y,i}, f_{z,i}, f_{u,i}$函数分别对应$k_x, k_y, k_z, k_xk_yk_z$对称性。
• 分析镜面对（$k_x=0$，$k_y=0$）以表明当费米面具有圆形拓扑时，$\vec{d}_{B2u} \cdot \vec{d}_{B3u} = 0$且$|\vec{d}_{B2u}| = |\vec{d}_{B3u}|$会导致Weyl点。
• 利用ARPES数据表明Z点附近存在$f$-电子衍生的费米面，支持$k_x=0$和$k_y=0$平面中Weyl点的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管具有$D_{2h}$点群（通常仅支持单分量序参量），UTe₂中是否仍发生时间反演对称性破缺？
• RQ2 鉴于其非常规性质（如高上临界场和再进入超导性），UTe₂中超导序参量的对称性和结构是什么？
• RQ3 比热中观测到的两个不同超导转变是否可用两分量序参量解释？这对配对态意味着什么？
• RQ4 观测到的非零偏振Kerr效应和比热异常是否指向具有拓扑保护费米弧表面态的Weyl超导态？
• RQ5 能隙函数的动量空间结构是什么？是否支持在超导态中形成Weyl点？

主要发现

• 在$T_c = 1.6$ K以下，观测到UTe₂中存在非零偏振Kerr效应，直接证明了超导态中时间反演对称性破缺。
• 在比热测量中识别出两个不同的转变，表明存在两分量超导序参量，且转变温度不同。
• 综合数据强烈约束序参量为两种候选：$B_{2u}+iB_{3u}$和$A_u+iB_{1u}$，二者均支持Weyl超导性。
• 理论分析表明，当费米面具有圆形拓扑时，$B_{2u}+iB_{3u}$态在$k_x=0$和$k_y=0$镜面对中至少支持四个Weyl点。
• 非单位宇旋超导态与正常态中无反演对称性或时间反演对称性破缺相结合，表明配对可能由铁磁涨落介导。
• Weyl点和手性费米弧表面态的存在为扫描隧道显微镜（STM）实验中观测到的手性表面态提供了自然解释。