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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爲自旋三重態配對,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爲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爲正常態,從而可能具有非平庸的拓撲激發。

            爲了理解UTe2的超导性质,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心EX9组的杨义峰研究員指导博士研究生徐远骥与盛玉韬利用第一性原理方法(DFT+U)对该材料进行了仔细分析,发现其磁和能带性质受到f电子库仑作用的很大影响。如图1和图2所示,不考虑库仑作用时,能带计算给出半导体带隙,与实验不符,只有引入较强库仑作用后才能得到实验要求的金属型能带(图1),该结论也得到了动力学平均场计算(DFT+DMFT)的支持。在此情况下,UTe2的磁性质呈现出重费米子体系中少有的梯子(two leg ladder)结构(图2),并具有电子型和空穴型两个准二维费米面(图3)。对此类费米面,对称性分析表明,只有强自旋-轨道耦合下的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),超導態應爲B3u配對,點節點預期在空穴型費米面上。

            以上分析意味著UTe2在零場下的超導態並非最初認爲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,並支持點節點位于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複雜行爲,值得深入研究。PRL審稿人評論認爲,此工作爲理解UTe2提供了一個基本的框架。

            相关工作发表于《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 123, 217002 (2019)],并得到了国家自然科学基金委(11774401, 11974397)、科技部(2017YFA0303103、2015CB921303)和中科院青促会等的支持。

          [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爲。
          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的准二維費米面,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。零場下超導爲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。對准二維費米面,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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