Ograniczenia na parametr porządku w przypuszczalnych nadprzewodnikach chiralnych poprzez pomiary lokalnego namagnesowania

Typ projektu: NCN OPUS 23
Kierownik projektu: prof. dr hab. Tomasz Cichorek
Numer projektu: 2022/45/B/ST3/04117
Opis projektu:
Topologiczne własności niektórych stanów nadprzewodzących wzbudzają ogromne zainteresowanie z uwagi na ich potencjalne zastosowanie w komputerach kwantowych. Obiecującą platformą dla nadprzewodnictwa topologicznego i możliwej obecności kwazicząstek Majorany są nadprzewodniki chiralne — trójwymiarowe materiały topologiczne, w których pary Coopera o niezerowym momencie pędu krążą wokół wyróżnionej osi, w ten sposób spontanicznie łamiąc symetrię odwrócenia czasu. Tak wyjątkowe właściwości, atrakcyjne z punktu widzenia nauk podstawowych i stosowanych, motywują fizyków do poszukiwania nadprzewodnictwa topologicznego. Jednak potencjalnych materiałów jest niewiele, a sama realizacja chiralnego nadprzewodnictwa jest nadal przedmiotem intensywnej debaty.
Innym aspektem projektu Ograniczenia na parametr porządku w przypuszczalnych nadprzewodnikach chiralnych poprzez pomiary lokalnego namagnesowania jest interpretacja wyników eksperymentalnych w kontekście parowania trypletowego, który może skutkować topologicznym nadprzewodnikiem chiralnym. Nadprzewodniki trypletowe są wyjątkowe, ale parowanie o symetrii typu p bardzo rzadko występuje w naturze (jedynym udokumentowanym przypadkiem jest nadciekły 3He). Tylko kilka spośród kilku tysięcy dotychczas odkrytych związków nadprzewodzących zostało zidentyfikowanych jako przypuszczalne nadprzewodniki trypletowe. Jednym z nich jest związek ciężkofermionowy PrOs4Sb12, dla którego nasze wstępne wyniki wskazują, że poszukiwanie chiralnego stanu trypletowego musi odbywać się głęboko w stanie nadprzewodzącym [1].
Pierwsze zadanie badawcze ma na celu zbadanie zależności temperaturowej dolnego pola krytycznego Hc1 w potencjalnych nadprzewodnikach chiralnych wykorzystując innowacyjną mikromagnetometrię hallowską o wysokiej rozdzielczości przestrzennej. Proponujemy pomiary Hc1(T) do temperatur tak niskich jak 0.007 K, ponieważ badania głęboko w stanie nadprzewodzącym mogą potwierdzić lub wykluczyć możliwe symetrie parametru porządku. Planujemy również zbadać wpływ naprężenia jednoosiowego, ponieważ własności topologiczne są nieodłącznie związane z symetrią sieci krystalicznej, którą można w ten sposób silnie modyfikować.
Drugim celem jest weryfikacja obecności efektów wielopasmowych, które mogą nakładać poważne ograniczenia na parametr(y) porządku nadprzewodnika o niezerowym momencie pędu. Nasze wstępne wyniki pokazują, że wielopasmowe nadprzewodnictwo może prowadzić do jednoczesnego wystąpienia parametrów porządku o odmiennych symetriach. Aby lepiej zrozumieć to zjawisko, planujemy zbadać wpływ napromieniowania elektronami, który jest czułym testem na zmianę znaku czynnika fazowego funkcji falowej opisującej parę Coopera.
Trzecim celem, bardziej ryzykownym i dlatego uznanym za opcję, jest zbadanie przewidywanej teoretycznie własności nadprzewodników chiralnych do wytwarzania spontanicznej indukcji magnetycznej na krawędziach próbki i w strukturze domenowej. Mierząc przestrzenny rozkład lokalnego namagnesowania w skali kilku μm, planujemy eksperymenty mające na celu bezpośrednią obserwację pól magnetycznych wynikających ze złamania symetrii odwrócenia czasu.
Skupiamy się na najnowszych odkryciach w dziedzinie nadprzewodnictwa chiralnego, tj. 4Hb-TaS2 (Tc = 2.7 K, oddziaływania van der Wallsa), UTe2 (Tc ≃ 1.7 K, fluktuacje ferromagnetyczne) i CeRh2As2 (Tc ≃ 0.3 K, lokalna niecentrosymmetryczność), z jednej strony, z drugiej zaś interesują nas kanoniczne związki ciężkofermionowe CeCu2Si2 (Tc ≃ 0.6 K) i PrOs4Sb12 (Tc ≃ 1.8 K). Badania powyższych materiałów związane są różnymi aspektami nadprzewodnictwa topologicznego. Wyjątkiem jest CeCu2Si2, dla którego ostatnie eksperymenty poniżej 0.1 K zakwestionowały długo utrzymującą się dychotomię między singlowymi stanami parowania o symetriach typu s i d.
[1] J. Juraszek, R.Wawryk, Z. Henkie, M. Konczykowski, and T. Cichorek, Symmetry of Order Parameters in Multiband Superconductors LaRu4As12 and PrOs4Sb12 Probed by Local Magnetization Measurements. Phys. Rev. Lett. 124 (2020) 027001.