DOI: https://doi.org/10.1103/4gcm-mbl7
تاريخ النشر: 2026-01-02
المؤلف: D. V. Ambika وآخرون
الموضوع الرئيسي: المركبات النادرة والأكتينيدات
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة التحقيق في التقلبات المغناطيسية في الموصل الفائق من نوع ثلاثي الدوران UTe2، الذي يظهر مرحلتين مختلفتين من الموصلية الفائقة (SC1 و SC2) تحت ظروف ضغط متغيرة. من الجدير بالذكر أن SC1 يظهر انخفاضًا في درجة حرارة الانتقال الموصل الفائق ($T_c$) مع زيادة الضغط، بينما SC2 يشهد زيادة في $T_c$. أظهرت الأبحاث السابقة التي أجراها D. Ambika وآخرون إمكانية التعايش بين التقلبات المغناطيسية الحديدية (FM) والتقلبات المغناطيسية المضادة (AFM) في UTe2 تحت الضغط، كما تم الكشف عنه من خلال قياسات الرنين المغناطيسي النووي (NMR).
لاستكشاف العلاقة بين هذه التقلبات المغناطيسية والمراحل الموصلية الفائقة، قام المؤلفون بإجراء قياسات دقيقة للرنين المغناطيسي النووي $^{125}$Te على بلورة مفردة من UTe2 بدرجة حرارة انتقال موصل فائق قدرها 1.6 كلفن، عبر ضغوط تتراوح من 0 إلى 2.05 غيغا باسكال. أظهر تحليلهم، الذي تضمن مقارنة اعتماد درجة الحرارة على معدلات استرخاء الشبكة النووية ($1/T_1T$) مع انزياح نايت ($K$) لحقول مغناطيسية موجهة على طول المحاور a و b و c، تعزيز التقلبات المغناطيسية المضادة (AFM) مع زيادة الضغط. تشير النتائج إلى أن التقلبات المغناطيسية الحديدية (FM) أكثر ملاءمة لمرحلة SC1، بينما تلعب التقلبات المغناطيسية المضادة (AFM) دورًا حاسمًا في مرحلة SC2. توفر هذه الأبحاث رؤى قيمة حول الطبيعة المعقدة للموصلية الفائقة في UTe2 وتضع الأساس لمزيد من التحقيقات في خصائصه الموصلية الفائقة الفريدة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث اكتشاف الموصلية الفائقة في UTe\(_2\)، الذي تم ملاحظة زيادة درجة حرارة الانتقال الموصل الفائق \(T_c\) من حوالي 1.6 كلفن إلى 2.1 كلفن. يعتبر هذا المركب مرشحًا محتملاً للموصلات الفائقة من نوع ثلاثي الدوران، كما يتضح من مجاله العلوي الحرج غير المتساوي \(H_{c2}\) الذي يتجاوز حد باولي وانخفاض طفيف في انزياح نايت \(K\) عبر جميع الاتجاهات البلورية تحت \(T_c\). بالإضافة إلى ذلك، دعمت القياسات الحساسة للطور باستخدام تأثير جوزيفسون الفرضية حول حالة ثلاثية الدوران.
تسلط الورقة الضوء على أهمية التقلبات المغناطيسية في فهم آلية الموصلية الفائقة لـ UTe\(_2\). اقترحت الدراسات الأولية للرنين المغناطيسي النووي (NMR) أن التقلبات المغناطيسية الحديدية (FM) تلعب دورًا حاسمًا في الاقتران الثلاثي، بينما كشفت قياسات تشتت النيوترونات (NS) عن وجود تقلبات مغناطيسية مضادة (AFM). تشير النتائج الحديثة إلى أن كلا من التقلبات FM و AFM تتعايش عند الضغط المحيط وأن تطبيق الضغط يؤدي إلى ظهور مرحلتين موصلتين فائقين، SC1 و SC2، مع سلوكيات مميزة تحت ظروف ضغط متغيرة. يُعتبر التفاعل بين هذه التقلبات المغناطيسية ضروريًا لفهم المراحل المتعددة للموصلية الفائقة، مما يبرز الحاجة إلى تحقيقات مفصلة حول تطورها تحت الضغط.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون الطرق التجريبية المستخدمة للتحقيق في خصائص بلورة مفردة غنية بـ 125 Te من UTe\(_2\) بدرجة حرارة انتقال موصل فائق \(T_c = 1.6 \, \text{K}\) عند الضغط المحيط. تم تصنيع البلورة عبر نقل بخاري كيميائي مع اليود كعامل نقل. تم إجراء قياسات الرنين المغناطيسي النووي (NMR) على نوى 125 Te عند ضغوط مختلفة (0، 1.05، 1.93، و 2.05 غيغا باسكال) باستخدام مقياس طيف نبضي متماسك طوره خصيصًا. تم معايرة الضغط باستخدام الرنين الرباعي النووي لـ \(^{63}\)Cu في Cu\(_2\)O عند 77 كلفن. وجدت الدراسة أنه عند 1.05 غيغا باسكال، زادت \(T_c\) إلى 2.8 كلفن، وكشفت طيفيات NMR عن وجود خطين متميزين يتوافقان مع موقعين غير متكافئين بلوريًا لـ Te، Te1 و Te2، والتي تم تعيينها كـ Te(I) و Te(II).
أشار تحليل طيفيات NMR إلى تغييرات كبيرة في اعتماد درجة الحرارة على انزياح نايت \(K\) تحت ضغوط متغيرة. عند الضغط المحيط، كانت قيم \(K\) لـ Te(II) أكبر من تلك لـ Te(I) على طول المحاور a و b، مما يُعزى إلى اختلافات في ثوابت الاقتران الفائق. من الجدير بالذكر أنه عند الضغوط التي تتجاوز الضغط الحرج \(p_c \approx 1.5 \, \text{GPa}\)، أظهر اعتماد درجة الحرارة على \(K\) أقصى حول 10 كلفن، مما يتوافق مع بداية حالة مرتبة مغناطيسيًا ضعيفًا. تشير النتائج إلى انتقال في المحور المغناطيسي السهل من المحور a إلى المحور b عند عبور \(p_c\)، مما يتماشى مع قياسات القابلية المغناطيسية. تسلط النتائج الضوء على العلاقة المعقدة بين الضغط ودرجة الحرارة والخصائص المغناطيسية لـ UTe\(_2\).
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون النتائج من قياسات NMR لـ 125 Te على البلورة المفردة من UTe2، مع التركيز على تطور التقلبات المغناطيسية تحت ضغوط متغيرة. تكشف الدراسة أن التقلبات المغناطيسية المضادة (AFM) تتعزز مع زيادة الضغط، خاصة على طول المحاور a و c عند مواقع Te. يشير تحليل معدل استرخاء الشبكة النووية ($1/T_1$) إلى أن موقع Te(I) أكثر حساسية لهذه التقلبات AFM مقارنة بموقع Te(II). يقدر المؤلفون درجات حرارة الترتيب المغناطيسي بعيدة المدى ($T_{MO}$) عند ضغوط مختلفة، مشيرين إلى تغيير كبير في شدة إشارة NMR لمواقع Te، مما يشير إلى ظهور حالة مرتبة مغناطيسيًا ضعيفًا فوق ضغط حرج ($p_c$).
تشير النتائج أيضًا إلى وجود علاقة بين طبيعة التقلبات المغناطيسية والموصلية الفائقة في UTe2، حيث تعتبر التقلبات AFM حاسمة لمرحلة الموصلية الفائقة SC2، بينما يبدو أن التقلبات المغناطيسية الحديدية (FM) تفضل مرحلة SC1. يقترح المؤلفون أنه مع زيادة الضغط، ترتفع درجة حرارة الانتقال الموصل الفائق ($T_c$) لمرحلة SC2، بينما تنخفض تلك لمرحلة SC1، مما يشير إلى تفاعل معقد بين النظام المغناطيسي والموصلية الفائقة. يؤكدون على الحاجة إلى مزيد من الدراسات لتوضيح أصول الموصلية الفائقة في المراحل SC المتميزة ولتوصيف التقلبات المغناطيسية التي تساهم في هذه الظواهر.
DOI: https://doi.org/10.1103/4gcm-mbl7
Publication Date: 2026-01-02
Author(s): D. V. Ambika et al.
Primary Topic: Rare-earth and actinide compounds
Overview
This section discusses the investigation of magnetic fluctuations in the spin-triplet superconductor UTe2, which exhibits two distinct superconducting phases (SC1 and SC2) under varying pressure conditions. Notably, SC1 shows a decrease in superconducting transition temperature ($T_c$) with increasing pressure, while SC2 experiences an increase in $T_c$. Previous research by D. Ambika et al. indicated the potential coexistence of ferromagnetic (FM) and antiferromagnetic (AFM) spin fluctuations in UTe2 under pressure, as revealed through nuclear magnetic resonance (NMR) measurements.
To further explore the relationship between these magnetic fluctuations and the superconducting phases, the authors conducted detailed $^{125}$Te NMR measurements on a single crystal of UTe2 with a $T_c$ of 1.6 K, across pressures from 0 to 2.05 GPa. Their analysis, which involved comparing the temperature dependence of the nuclear spin-lattice relaxation rates ($1/T_1T$) with the Knight shift ($K$) for magnetic fields oriented along the a, b, and c axes, demonstrated an enhancement of AFM spin fluctuations with increasing pressure. The findings suggest that FM spin fluctuations are more conducive to the SC1 phase, while AFM spin fluctuations play a critical role in the SC2 phase. This research provides valuable insights into the complex nature of superconductivity in UTe2 and sets the stage for further investigations into its unique superconducting properties.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the discovery of superconductivity in UTe\(_2\), which has a superconducting transition temperature \(T_c\) that has been observed to increase from approximately 1.6 K to 2.1 K. This compound is considered a potential candidate for spin-triplet superconductors, as indicated by its highly anisotropic upper critical field \(H_{c2}\) that surpasses the Pauli limit and a minimal reduction in the Knight shift \(K\) across all crystallographic directions below \(T_c\). Additionally, phase-sensitive measurements utilizing the Josephson effect have further supported the hypothesis of a spin-triplet state.
The paper highlights the significance of magnetic fluctuations in understanding the superconducting mechanism of UTe\(_2\). Initial nuclear magnetic resonance (NMR) studies suggested that ferromagnetic (FM) fluctuations play a crucial role in triplet pairing, while neutron scattering (NS) measurements revealed the presence of antiferromagnetic (AFM) spin fluctuations. Recent findings indicate that both FM and AFM fluctuations coexist at ambient pressure and that the application of pressure leads to the emergence of two superconducting phases, SC1 and SC2, with distinct behaviors under varying pressure conditions. The interplay between these spin fluctuations is deemed essential for comprehending the multiple superconducting phases, underscoring the need for detailed investigations into their evolution under pressure.
Methods
In this section, the authors detail the experimental methods used to investigate the properties of a 125 Te-enriched single crystal of UTe\(_2\) with a superconducting transition temperature \(T_c = 1.6 \, \text{K}\) at ambient pressure. The crystal was synthesized via chemical vapor transport with iodine as the transport agent. Nuclear Magnetic Resonance (NMR) measurements were performed on 125 Te nuclei at various pressures (0, 1.05, 1.93, and 2.05 GPa) using a custom-built phase-coherent spin-echo pulse spectrometer. The pressure was calibrated using \(^{63}\)Cu nuclear quadrupole resonance in Cu\(_2\)O at 77 K. The study found that at 1.05 GPa, \(T_c\) increased to 2.8 K, and the NMR spectra revealed two distinct lines corresponding to two crystallographically inequivalent Te sites, Te1 and Te2, which were designated as Te(I) and Te(II).
The analysis of the NMR spectra indicated significant changes in the temperature dependence of the Knight shift \(K\) under varying pressures. At ambient pressure, the \(K\) values for Te(II) were greater than those for Te(I) along the a and b axes, attributed to differences in hyperfine coupling constants. Notably, at pressures above the critical pressure \(p_c \approx 1.5 \, \text{GPa}\), the temperature dependence of \(K\) exhibited a maximum around 10 K, correlating with the onset of a weakly magnetic ordered state. The results suggest a transition in the magnetic easy axis from the a axis to the b axis upon crossing \(p_c\), consistent with magnetic susceptibility measurements. The findings highlight the intricate relationship between pressure, temperature, and the magnetic properties of UTe\(_2\).
Discussion
In this section, the authors discuss the findings from their 125 Te NMR measurements on the single crystal of UTe2, focusing on the evolution of magnetic fluctuations under varying pressures. The study reveals that antiferromagnetic (AFM) spin fluctuations are enhanced with increasing pressure, particularly along the a and c axes at the Te sites. The analysis of the nuclear spin-lattice relaxation rate ($1/T_1$) indicates that the Te(I) site is more sensitive to these AFM fluctuations compared to the Te(II) site. The authors estimate the long-range magnetic ordering temperatures ($T_{MO}$) at different pressures, noting a significant change in the NMR signal intensities of the Te sites, which suggests the emergence of a weakly magnetic ordered state above a critical pressure ($p_c$).
The results further suggest a correlation between the nature of magnetic fluctuations and superconductivity in UTe2, with AFM fluctuations being crucial for the superconducting phase SC2, while ferromagnetic (FM) fluctuations appear to favor the SC1 phase. The authors propose that as pressure increases, the superconducting transition temperature ($T_c$) for SC2 rises, whereas that for SC1 decreases, indicating a complex interplay between magnetic order and superconductivity. They emphasize the need for further studies to elucidate the origins of superconductivity in the distinct SC phases and to characterize the magnetic fluctuations contributing to these phenomena.