La ricerca di correnti di bordo spontanee in strutture di mesa Sr2RuO4 con forme geometriche controllate

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12652 (2023) Citare questo articolo

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La microscopia Hall a scansione è stata utilizzata per cercare campi marginali spontanei in strutture mesa di forma geometrica incise nella superficie ab dei singoli cristalli Sr2RuO4 al fine di testare recenti teorie sulla direzione del flusso di corrente marginale in funzione dell'orientamento delle faccette e del riempimento della banda. Non troviamo prove di campi marginali spontanei in nessuna delle nostre strutture mesa al di sopra del nostro livello di rumore sperimentale di ± 25 mG. Osserviamo, tuttavia, un pronunciato raggruppamento di vortici a campi e temperature bassi, in linea con lo scenario semi-Meissner stabilito in cui si verifica una componente attrattiva a lungo raggio per l’interazione vortice-vortice a causa, ad esempio, della natura multibanda della superconduttività. Vediamo anche una chiara evidenza della formazione di un reticolo di vortice quadrato all'interno di strutture di mesa quadrate superiori a 1,3 K. I nostri risultati sono discussi in termini di recenti risultati sperimentali rilevanti e previsioni teoriche.

Subito dopo la prima scoperta della superconduttività in Sr2RuO4 nel 19941,2 esso fu identificato come un forte potenziale candidato per la superconduttività spin-tripletta non convenzionale. La prova sperimentale di ciò è arrivata dalle prime misurazioni NMR dello spostamento di Knight sotto campi magnetici nel piano, indicando che lo spostamento rimane invariato quando la temperatura viene abbassata nello stato superconduttore3. Inoltre, la rotazione dello spin dei muoni (μSR)4 e le misurazioni di Kerr polare5 hanno mostrato evidenza di rottura della simmetria con inversione temporale (TRSB) identificando un parametro di ordine dell'onda p chirale a due componenti \(\hat{\user2{d}} = \Delta_ {0} \left( {{\varvec{k}}_{{\varvec{x}}} \pm {\varvec{ik}}_{{\varvec{y}}} } \right)\hat{ \user2{z}}\) come probabile candidato. Tuttavia, questa descrizione sembrava essere in conflitto con le prove sperimentali della conducibilità termica6 e delle misurazioni del calore specifico7 che suggeriscono una struttura di gap nodale, mentre le misurazioni della deformazione uniassiale non hanno rivelato la transizione superconduttiva divisa prevista per uno stato di onda p chirale8. Le misurazioni originali dello spostamento di Knight sono state recentemente riviste facendo attenzione a evitare il riscaldamento del campione dovuto a impulsi di radiofrequenza di ampiezza elevata e hanno infatti mostrato una riduzione dello spostamento di Knight al di sotto della temperatura critica9,10. Insieme alle successive misurazioni dello spostamento di Knight 17O NMR su Sr2RuO411, queste sembrano escludere tutti gli stati dei parametri di ordine di parità dispari, indipendentemente dall'orientamento del vettore \(\hat{d}\). Più recentemente esperimenti ad ultrasuoni di Ghosh et al.12 e Benhabib et al.13 hanno fornito prove termodinamiche che Sr2RuO4 presenta un parametro di ordine a due componenti. Prendendo l'osservazione di TRSB o dei nodi gap come informazioni aggiuntive chiave, questi autori propongono rispettivamente parametri di ordine invariante di rottura dell'inversione temporale o di inversione temporale. Chiaramente la nostra comprensione della superconduttività in questo straordinario materiale è ancora lontana dall’essere completa e sono necessarie ulteriori misurazioni sperimentali per ottenere informazioni più approfondite su questo problema.

Se Sr2RuO4 mostrasse una fase superconduttiva chirale che rompe la simmetria di inversione temporale, si prevede che ospiti correnti spontanee sulla superficie del campione o sulle pareti del dominio chirale. Si prevede che queste correnti superficiali producano campi magnetici locali che dovrebbero essere rilevabili con tecniche di sonda di scansione a bassa temperatura, ma tutti gli esperimenti riportati finora non sono riusciti a risolverli14,15,16. Per affrontare questo problema, in particolare un risultato nullo per i singoli cristalli di Sr2RuO4 con microscopici pilastri cilindrici incisi sulla loro superficie17, Bouhon et al.18 hanno effettuato uno studio teorico dettagliato della dipendenza dalla geometria e dalla struttura delle bande degli stati marginali. Utilizzando un modello strettamente vincolante di un reticolo quadrato per le bande γ di Sr2RuO4, hanno risolto l'equazione di Bogolyubov-de Gennes in modo autocoerente assumendo uno stato superconduttore chirale di onde p. I loro risultati rivelano che la dispersione dello stato marginale dipende fortemente sia dall’orientamento delle superfici che dal riempimento della banda. A T = 0 e riempimento della banda bassa, si prevede che le correnti sulle superfici cristalline {1,0,0} (θ = 0°) e {1,1,0} (θ = 45°) scorrano nello stesso + k//, mentre in banda alta le correnti di riempimento alle superfici {1,1,0} si invertono e si propagano in senso opposto a quelle alle superfici {1,0,0}. Per Sr2RuO4 si prevede che il riempimento della banda sarà piuttosto ampio quando si applica quest'ultimo scenario, e i campi marginali saranno schermati lontano dalle pareti della superficie/dominio per una lunghezza caratteristica della profondità di penetrazione di Londra. Supponendo che la densità di corrente del bordo dipenda approssimativamente in modo sinusoidale dall'angolo delle facce, la conseguenza per una serie di diverse geometrie del campione è illustrata in Fig. 1. Per il campione ottagonale la direzione delle correnti del bordo si inverte su ogni sfaccettatura adiacente portando a campi dei bordi molto deboli quel segno si inverte periodicamente attorno al perimetro della struttura, mentre ci si aspetterebbe che il pentagono regolare o il triangolo equilatero mostrino deboli distribuzioni di campo dipolare. Da un punto di vista sperimentale la geometria più interessante è quella di un quadrato, ci si aspetta che i quadrati θ = 0° e θ = 45° abbiano correnti di bordo che si propagano in direzioni opposte attorno al perimetro, mentre un quadrato θ = 22,5° dovrebbe quasi avere densità di corrente sul bordo pari a zero in superficie. Motivati ​​da questi risultati riportiamo qui una ricerca sistematica di correnti di bordo attorno a mesas con varie forme geometriche incise sulla superficie di un singolo cristallo di Sr2RuO4 con sfaccettature ad angoli ben definiti rispetto agli assi cristallografici sottostanti.