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中國科學院物理研究所 EX9組供稿 第72期 2019年11月22日
北京凝聚態物理國家研究中心
重費米子超導體UTe2的理論研究進展

  今年以來,重費米子材料UTe2中低溫超導態的發現引起了很多人的關注。核磁共振實驗發現其超導可能為自旋三重態配對,比熱測量揭示其配對能隙具有點節點,但是比熱系數在零溫極限下外延到正常態的一半,因而理論建議超導態為非幺正的等自旋三重態配對,只有一個自旋取向發生配對,另一自旋取向仍保持為正常態,從而可能具有非平庸的拓撲激發。

  為了理解UTe2的超導性質,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心EX9組的楊義峰研究員指導博士研究生徐遠驥與盛玉韜利用第一性原理方法(DFT+U)對該材料進行了仔細分析,發現其磁和能帶性質受到f電子庫侖作用的很大影響。如圖1和圖2所示,不考慮庫侖作用時,能帶計算給出半導體帶隙,與實驗不符,只有引入較強庫侖作用后才能得到實驗要求的金屬型能帶(圖1),該結論也得到了動力學平均場計算(DFT+DMFT)的支持。在此情況下,UTe2的磁性質呈現出重費米子體系中少有的梯子(two leg ladder)結構(圖2),并具有電子型和空穴型兩個準二維費米面(圖3)。對此類費米面,對稱性分析表明,只有強自旋-軌道耦合下的B2uB3u表示才具有點節點(圖4)。考慮到空穴型費米面具有更大的有效質量和更好的嵌套(nesting),超導態應為B3u配對,點節點預期在空穴型費米面上。

  以上分析意味著UTe2在零場下的超導態并非最初認為的非幺正等自旋配對,不具有先前期望的奇異拓撲性質,同時預言其外延的零溫比熱系數應趨于零。有趣的是,在上述工作的同時,新的實驗發現比熱在更低溫度下上翹,零溫外延的剩余比熱可能源自某種量子臨界散射的貢獻;熱導測量也表明載流子濃度在零溫趨于零,并支持點節點位于a軸方向(空穴費米面),與計算符合。理論發現的特殊磁性質意味著該體系在磁場和壓力調控下會呈現復雜行為,值得深入研究。PRL審稿人評論認為,此工作為理解UTe2提供了一個基本的框架。

  相關工作發表于《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 123, 217002 (2019)],并得到了國家自然科學基金委(11774401, 11974397)、科技部(2017YFA0303103、2015CB921303)和中科院青促會等的支持。

[1] Yuanji Xu, Yutao Sheng, and Yi-feng Yang*, Phys. Rev. Lett. 123, 217002 (2019)
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.217002

圖1:UTe2的能帶結構,在較強的庫侖作用下呈現出金屬行為。
圖2:UTe2的磁性質,在較強的庫侖作用下呈現出梯子結構。
圖3:UTe2的準二維費米面,其中空穴型費米面呈現出較大的有效質量與較強的嵌套性質。零場下超導為B3u配對,點節點位于空穴型費米面上。
圖4:UTe2自旋三重態配對的可能表示。對準二維費米面,對稱性分析表明只有強自旋-軌道耦合的非幺正B2uB3u表示具有點節點。
下載附件>> PRL 123, 217002 (2019).pdf
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