La recherche de courants de bord spontanés dans des structures mésa Sr2RuO4 aux formes géométriques contrôlées

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12652 (2023) Citer cet article

274 accès

Détails des métriques

La microscopie à balayage Hall a été utilisée pour rechercher des champs de bord spontanés dans des structures mesa de forme géométrique gravées dans la surface ab de monocristaux de Sr2RuO4 afin de tester les théories récentes sur la direction du flux de courant de bord en fonction de l'orientation des facettes et du remplissage de la bande. Nous ne trouvons aucune preuve de champs de bord spontanés dans aucune de nos structures mesa au-dessus de notre plancher de bruit expérimental de ± 25 mG. Nous observons cependant un regroupement de vortex prononcé à des champs et des températures faibles, ce qui est cohérent avec le scénario semi-Meissner établi dans lequel une composante attractive à longue portée pour l'interaction vortex-vortex apparaît en raison, par exemple, de la nature multibande de la supraconductivité. Nous voyons également des preuves claires de la formation d'un réseau de vortex carré à l'intérieur de structures de mesa carrées au-dessus de 1,3 K. Nos résultats sont discutés en termes de résultats expérimentaux pertinents récents et de prédictions théoriques.

Peu de temps après la première découverte de la supraconductivité dans Sr2RuO4 en 19941,2 il a été identifié comme un candidat potentiel puissant pour la supraconductivité non conventionnelle à triple spin. La preuve expérimentale de cela provient des premières mesures RMN Knight-shift sous des champs magnétiques dans le plan, indiquant que le décalage reste inchangé lorsque la température s'abaisse jusqu'à l'état supraconducteur. De plus, la rotation du spin du muon (µSR)4 et les mesures de Kerr polaire5 ont montré des preuves d'une rupture de symétrie par inversion du temps (TRSB) identifiant un paramètre d'ordre d'onde p chirale à deux composants \(\hat{\user2{d}} = \Delta_ {0} \left( {{\varvec{k}}_{{\varvec{x}}} \pm {\varvec{ik}}_{{\varvec{y}}} } \right)\hat{ \user2{z}}\) comme candidat probable. Cependant, cette description semble être en conflit avec les preuves expérimentales de conductivité thermique6 et les mesures de chaleur spécifique7 suggérant une structure d'espace nodal, tandis que les mesures de déformation uniaxiale n'ont pas révélé la transition supraconductrice divisée attendue pour un état d'onde p chiral8. Les mesures originales du décalage de Knight ont été récemment revues en prenant soin d'éviter l'échauffement de l'échantillon dû aux impulsions radiofréquence de haute amplitude et ont en effet montré une réduction du décalage de Knight en dessous de la température critique9,10. Avec les mesures ultérieures de décalage de Knight RMN 17O sur Sr2RuO411, celles-ci semblent exclure tous les états impairs des paramètres d'ordre de parité, quelle que soit l'orientation du vecteur \(\hat{d}\). Plus récemment, des expériences échographiques réalisées par Ghosh et al.12 et Benhabib et al.13 ont fourni des preuves thermodynamiques que Sr2RuO4 présente un paramètre d'ordre à deux composants. En prenant soit l'observation du TRSB, soit des nœuds d'intervalle comme informations supplémentaires clés, ces auteurs proposent respectivement des paramètres d'ordre invariant de rupture d'inversion du temps ou d'inversion du temps. De toute évidence, notre compréhension de la supraconductivité dans ce matériau remarquable est encore loin d’être complète et des mesures expérimentales supplémentaires sont nécessaires pour mieux comprendre ce problème.

Si Sr2RuO4 présentait une phase supraconductrice chirale qui brise la symétrie d'inversion du temps, il est prévu qu'elle héberge des courants spontanés à la surface de l'échantillon ou sur les parois du domaine chiral. Ces courants de surface devraient produire des champs magnétiques locaux qui devraient être détectables avec des techniques de sonde à balayage à basse température, mais jusqu'à présent, toutes les expériences rapportées n'ont pas réussi à les résoudre14,15,16. Pour résoudre ce problème, en particulier un résultat nul pour les monocristaux de Sr2RuO4 avec des piliers cylindriques microscopiques gravés dans leur surface17, Bouhon et al.18 ont réalisé une étude théorique détaillée de la géométrie et de la structure de bande des états de bord. En utilisant un modèle à liaison étroite d'un réseau carré pour les bandes γ de Sr2RuO4, ils ont résolu l'équation de Bogolyubov-de Gennes en supposant de manière auto-cohérente un état supraconducteur chiral à onde p. Leurs résultats révèlent que la dispersion de l’état des bords dépend fortement à la fois de l’orientation des surfaces et du remplissage de la bande. À T = 0 et avec un faible remplissage de bande, les courants aux surfaces cristallines {1,0,0} (θ = 0°) et {1,1,0} (θ = 45°) devraient circuler dans le même + k // direction, tandis qu'à bande élevée, les courants de remplissage à {1,1,0} s'inversent et se propagent dans le sens opposé à ceux des surfaces {1,0,0}. Pour Sr2RuO4, le remplissage de la bande devrait être assez important lorsque ce dernier scénario s'applique, et les champs de bord seront éloignés des parois de la surface/du domaine sur une longueur caractéristique de la profondeur de pénétration de Londres. En supposant que la densité de courant de bord dépend approximativement de manière sinusoïdale de l'angle de la facette, la conséquence pour un certain nombre de géométries d'échantillon différentes est représentée sur la figure 1. Pour l'échantillon octogonal, la direction des courants de bord s'inverse au niveau de chaque facette adjacente, ce qui conduit à des champs de bord très faibles. ce signe inverse périodiquement autour du périmètre de la structure, tandis que le pentagone régulier ou le triangle équilatéral devrait montrer de faibles distributions de champ dipolaire. D'un point de vue expérimental, la géométrie la plus intéressante est celle d'un carré, les carrés θ = 0° et θ = 45° devraient avoir des courants de bord se propageant dans des directions opposées autour du périmètre, tandis qu'un carré θ = 22,5° devrait presque avoir densité de courant de bord nulle à la surface. Motivés par ces résultats, nous rapportons ici une recherche systématique de courants de bord autour de mesas présentant diverses formes géométriques gravées dans la surface d'un monocristal de Sr2RuO4 avec des facettes à des angles bien définis par rapport aux axes cristallographiques sous-jacents.