Поиск спонтанных краевых токов в мезаструктурах Sr2RuO4 контролируемой геометрической формы.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 12652 (2023) Цитировать эту статью

93 доступа

Подробности о метриках

Сканирующая холловская микроскопия использовалась для поиска спонтанных краевых полей в меза-структурах геометрической формы, вытравленных на ab-поверхности монокристаллов Sr2RuO4, с целью проверки последних теорий направления краевого тока в зависимости от ориентации граней и заполнения зон. Мы не обнаружили никаких доказательств существования спонтанных краевых полей ни в одной из наших меза-структур выше экспериментального минимального уровня шума ± 25 мГс. Однако мы наблюдаем выраженную кластеризацию вихрей при низких полях и температурах, что согласуется с установленным полумейснеровским сценарием, согласно которому дальнодействующая притягивающая компонента во взаимодействии вихрей возникает, например, из-за многозонной природы сверхпроводимости. Мы также видим явные доказательства образования квадратной вихревой решетки внутри квадратных меза-структур при температуре выше 1,3 К. Наши результаты обсуждаются с точки зрения недавних соответствующих экспериментальных результатов и теоретических предсказаний.

Вскоре после первого открытия сверхпроводимости в Sr2RuO4 в 19941 г.2 она была идентифицирована как сильный потенциальный кандидат на нетрадиционную спин-триплетную сверхпроводимость. Экспериментальные доказательства этого были получены в результате ранних измерений Найтовского сдвига ЯМР в плоских магнитных полях, указывающих на то, что сдвиг остается неизменным при понижении температуры до сверхпроводящего состояния3. Кроме того, вращение спина мюона (µSR)4 и измерения полярного Керра5 показали доказательства нарушения симметрии с обращением времени (TRSB), идентифицирующего двухкомпонентный киральный параметр порядка p-волны \(\hat{\user2{d}} = \Delta_ {0} \left( {{\varvec{k}}_{{\varvec{x}}} \pm {\varvec{ik}}_{{\varvec{y}}} } \right)\hat{ \user2{z}}\) как вероятный кандидат. Однако это описание, по-видимому, противоречило экспериментальным данным, полученным в результате измерений теплопроводности6 и удельной теплоемкости7, предполагающих узловую структуру щели, в то время как измерения одноосной деформации не выявили расщепленного сверхпроводящего перехода, ожидаемого для кирального состояния p-волны8. Первоначальные измерения сдвига Найта были недавно пересмотрены, чтобы избежать нагрева образца из-за высокоамплитудных радиочастотных импульсов, и действительно показали уменьшение сдвига Найта ниже критической температуры9,10. Вместе с последующими измерениями сдвига Найта с помощью ЯМР 17O на Sr2RuO411 они, по-видимому, исключают все состояния параметра порядка нечетной четности, независимо от ориентации вектора \(\hat{d}\). Совсем недавно ультразвуковые эксперименты Гоша и др.12 и Бенхабиба и др.13 предоставили термодинамические доказательства того, что Sr2RuO4 обладает двухкомпонентным параметром порядка. Принимая либо наблюдение TRSB, либо узлы разрыва в качестве ключевой дополнительной информации, эти авторы по-разному предлагают нарушение разворота времени или параметры порядка, инвариантные по обращению времени соответственно. Очевидно, что наше понимание сверхпроводимости в этом замечательном материале все еще далеко от завершения, и необходимы дальнейшие экспериментальные измерения, чтобы глубже понять эту проблему.

Если Sr2RuO4 действительно обладает киральной сверхпроводящей фазой, которая нарушает симметрию обращения времени, то, по прогнозам, в ней будут возникать спонтанные токи на поверхности образца или киральных доменных стенках. Ожидается, что эти поверхностные токи будут создавать локальные магнитные поля, которые должны быть обнаружены с помощью низкотемпературных сканирующих зондовых методов, однако все опубликованные эксперименты до сих пор не смогли их разрешить14,15,16. Чтобы решить эту проблему, в частности нулевой результат для монокристаллов Sr2RuO4 с микроскопическими цилиндрическими столбиками, выгравированными на их поверхности17, Бухон и др.18 провели детальное теоретическое исследование геометрии и зависимости зонной структуры краевых состояний. Используя модель сильной связи квадратной решетки для γ-зон Sr2RuO4, они решили уравнение Боголюбова-де Жена, самосогласованно предполагая киральное сверхпроводящее состояние p-волны. Их результаты показывают, что дисперсия краевых состояний сильно зависит как от ориентации поверхностей, так и от заполнения зон. Прогнозируется, что при T = 0 и заполнении нижней зоны токи на кристаллических поверхностях {1,0,0} (θ = 0°) и {1,1,0} (θ = 45°) будут течь в одном и том же + k//, в то время как при высокой зоне токи заполнения на {1,1,0} меняют направление и распространяются в противоположном направлении по сравнению с токами на {1,0,0} поверхностях. Для Sr2RuO4 ожидается, что заполнение зон будет довольно большим, когда применяется последний сценарий, и краевые поля будут экранироваться от поверхности/доменных стенок на характерной длине лондонской глубины проникновения. Предполагая, что плотность краевого тока примерно синусоидально зависит от угла грани, на рис. 1 схематически показано следствие для ряда образцов различной геометрии. Для восьмиугольного образца направление краевых токов меняется на противоположное на каждой соседней грани, что приводит к очень слабым краевым полям. этот знак периодически меняет знак по периметру структуры, в то время как можно ожидать, что правильный пятиугольник или равносторонний треугольник будут демонстрировать слабое распределение дипольного поля. С экспериментальной точки зрения наиболее интересной геометрией является квадрат: ожидается, что квадраты с углами θ = 0° и θ = 45° будут иметь краевые токи, распространяющиеся в противоположных направлениях по периметру, тогда как квадрат с θ = 22,5° должен почти иметь нулевая плотность краевого тока на поверхности. Руководствуясь этими результатами, мы сообщаем здесь о систематическом поиске краевых токов вокруг мез различной геометрической формы, выгравированных на поверхности монокристалла Sr2RuO4 с гранями, расположенными под четко определенными углами относительно основных кристаллографических осей.