Observation of a pronounced Hebel-Slichter peak in the spin-lattice relaxation rate and implications for gap and pairing symmetry in LaNiGa$_2$

L'observation d'un pic Hebel-Slichter prononcé dans le taux de relaxation spin-réseau NQR de LaNiGa$_2$ soutient fortement un modèle d'appariement de type BCS singulet à deux bandes avec deux gaps distincts, remettant ainsi en cause les propositions antérieures d'un appariement triplet non unitaire avec brisure de la symétrie d'inversion du temps.

L'essentiel

Imaginez un supraconducteur comme une piste de danse bondée où les électrons se déplacent généralement de manière chaotique. Lorsque la température baisse suffisamment, ces électrons s'apparient et commencent à danser en parfaite synchronisation, permettant au courant électrique de circuler sans aucune résistance.

Pendant longtemps, les scientifiques ont pensé que le matériau LaNiGa2 était un danseur très spécial et rare. Ils croyaient qu'il exécutait une danse « triplet », où les partenaires tournent dans la même direction (comme deux personnes tournant ensemble dans le sens des aiguilles d'une montre). C'était une affaire importante car cela suggérait que le matériau enfreignait une règle fondamentale de la physique appelée « symétrie d'inversion du temps », signifiant essentiellement que la danse paraissait différente si l'on faisait défiler la vidéo à l'envers.

Cependant, ce nouvel article est comme un détective intervenant pour réexaminer les preuves. Les chercheurs ont observé comment les noyaux atomiques du matériau se « relaxent » (se calment) après avoir été perturbés, un processus qui agit comme un appareil photo haute vitesse capturant les détails de la danse des électrons.

Voici ce qu'ils ont découvert, en utilisant quelques analogies simples :

Le pic « Hebel-Slichter » : Une poussée de foule

Dans une danse de supraconducteur « normal » standard, juste au moment où la musique commence (lorsque le matériau devient supraconducteur), il y a une poussée soudaine et massive d'activité. Les scientifiques appellent cela le pic Hebel-Slichter. C'est comme lorsque la foule d'un concert saute soudainement et acclame en parfaite synchronisation au moment où le rythme tombe.

Les chercheurs ont trouvé un cri très fort et clair (un pic prononcé) dans le LaNiGa2.

Le problème avec la théorie du « Triplet »

Auparavant, les scientifiques pensaient que le LaNiGa2 était un danseur « triplet non unitaire ». Imaginez une danse triplet où les partenaires tournent dans la même direction, mais où l'un des partenaires tourne légèrement plus vite que l'autre.

• La Théorie : Si les partenaires avaient des vitesses différentes (des écarts d'énergie différents), l'article soutient que le « cri » (le pic) serait étouffé ou disparaîtrait complètement. Ce serait comme une foule essayant d'acclamer en synchronisation, mais où la moitié applaudit lentement et l'autre rapidement ; le résultat serait un son désordonné et faible.
• La Réalité : Les données ont montré un cri fort et clair.
• La Conclusion : Pour que la théorie du « triplet » fonctionne avec ce cri fort, les partenaires devraient tourner à la même vitesse exacte (des écarts identiques). Mais s'ils tournent à la vitesse exacte, la danse n'est plus « non unitaire », et elle cesse d'enfreindre la règle de la symétrie d'inversion du temps.

L'alternative « Singulet » : Un valse classique

Les chercheurs ont ensuite testé une autre théorie : que le LaNiGa2 est en fait un danseur « singulet ». Dans cette danse, les partenaires tournent dans des directions opposées (l'un dans le sens des aiguilles d'une montre, l'autre dans le sens inverse), ce qui est le mouvement standard pour la plupart des supraconducteurs.

• L'Adéquation : Lorsqu'ils ont modélisé les données comme une danse « singulet à deux bandes » (où il existe deux groupes de danseurs légèrement différents, mais qui suivent tous les règles standard), le modèle correspondait parfaitement au cri fort et clair observé dans l'expérience.

Le Verdict

L'article conclut que les preuves pointent vers l'abandon de la danse exotique « triplet » au profit d'une danse « singulet » plus conventionnelle.

• L'ancienne idée : Le LaNiGa2 est un danseur rare et exotique enfreignant la symétrie d'inversion du temps.
• La nouvelle découverte : Le « cri » fort dans les données suggère qu'il s'agit en fait d'un danseur standard, avec simplement deux groupes de partenaires légèrement différents.

Les auteurs admettent que d'autres expériences (utilisant des muons, qui sont comme de minuscules sondes magnétiques) avaient précédemment suggéré que la danse exotique « triplet » se produisait. Cependant, ces mesures étaient très proches de la limite de ce que l'équipement pouvait détecter. Cette nouvelle étude suggère que si le LaNiGa2 fait la danse exotique, il le fait d'une manière qui ne produit pas le « cri » fort que nous voyons. Puisque le cri est présent, la danse exotique est peu probable.

En bref : L'article soutient que le LaNiGa2 n'est probablement pas le matériau exotique enfreignant la symétrie d'inversion du temps que nous pensions, mais plutôt un supraconducteur plus conventionnel qui a simplement deux écarts d'énergie différents. Pour en être sûr, ils suggèrent que nous devons tester des monocristaux (des danseurs parfaitement formés) plutôt que les échantillons en poudre utilisés jusqu'ici, et utiliser d'autres outils pour vérifier à nouveau l'affirmation de « symétrie d'inversion du temps ».

Résumé technique

Résumé technique : Observation d'un pic de Hebel-Slichter prononcé dans LaNiGa2 et implications pour la symétrie d'appariement

Énoncé du problème
Le supraconducteur LaNiGa2 ($T_c \approx 2,1$ K) a fait l'objet d'un intérêt théorique et expérimental intense en raison de sa structure cristalline orthorhombique non symmorphe ($Cmcm$), qui soutient une topologie de bande non triviale et des dégénérescences de bandes au niveau de Fermi. Des mesures précédentes, notamment la chaleur spécifique, la profondeur de pénétration et la résonance de spin muonique ($\mu$SR), ont suggéré l'existence de deux gaps supraconducteurs distincts et de champs magnétiques spontanés. Ces observations ont conduit à proposer que LaNiGa2 héberge un état d'appariement triplet non unitaire (INT) entièrement gappé, antisymétrique en interne. Dans ce scénario INT, le condensat implique un appariement de spins parallèles ($S=1$) avec deux magnitudes de gap distinctes, résultant en une aimantation interne finie et une brisure de la symétrie d'inversion du temps (TRSB). Cependant, la structure de spin du condensat supraconducteur reste non prouvée par ces sondes thermodynamiques et magnétiques, qui sont principalement sensibles à la densité d'états plutôt qu'à la symétrie de spin des paires de Cooper.

Méthodologie
Pour sonder directement la structure de spin, les auteurs ont effectué des mesures de résonance quadrupolaire nucléaire (NQR) sans champ sur le noyau $^{139}$La ($I=7/2$) dans un échantillon de LaNiGa2 finement pulvérisé ($T_c = 1,83$ K). L'étude s'est concentrée sur la dépendance en température du taux de relaxation spin-réseau nucléaire ($T_1^{-1}$) jusqu'à 240 mK. Le taux de relaxation est piloté par la diffusion avec renversement de spin des spins nucléaires par des quasi-particules de Bogoliubov, ce qui le rend hautement sensible aux facteurs de cohérence et à la symétrie du gap de l'état supraconducteur.

Les données expérimentales ont été comparées à deux modèles théoriques :

1. Le modèle INT : Un modèle à deux bandes avec appariement triplet de spins parallèles, permettant la non-unitarité (TRSB) et deux magnitudes de gap distinctes ($\Delta_1 \neq \Delta_2$). Les auteurs ont calculé $T_1^{-1}$ pour diverses orientations du vecteur $\mathbf{d}$ triplet par rapport à l'axe de quantification nucléaire.
2. Le modèle singulet à deux bandes : Un modèle BCS conventionnel à deux gaps avec appariement singulet de spin et couplage inter-bandes, présentant deux magnitudes de gap distinctes mais aucune TRSB.

Les calculs ont utilisé le formalisme de Bogoliubov-de Gennes (BdG), intégrant l'interaction hyperfine spécifique entre les spins nucléaires du La et les spins électroniques dans les deux bandes. Les auteurs ont pris en compte la fréquence de résonance nucléaire ($\omega_N$) et les contraintes de conservation de l'énergie dans les processus de diffusion.

Résultats clés
Les données NQR révèlent un pic de cohérence de Hebel-Slichter (HS) prononcé dans $T_1^{-1}$ juste en dessous de $T_c$, où le taux de relaxation augmente d'un facteur d'environ 2,5 par rapport à l'état normal. À plus basse température, le taux de relaxation présente un comportement activé (exponentiel), cohérent avec un supraconducteur entièrement gappé. Le changement de pente dans le graphique d'Arrhenius suggère la présence de deux gaps avec des valeurs estimées à $\approx 2k_B T_c$ et $< 1,0 k_B T_c$.

• Analyse du modèle INT : Les auteurs constatent que le modèle INT échoue à reproduire le pic HS robuste observé dans les données, à moins que les deux gaps supraconducteurs ne soient exactement égaux en magnitude ($\Delta_1 = \Delta_2$). Si les gaps sont inégaux (une exigence pour la non-unitarité et la TRSB dans ce modèle), le pic de cohérence est rapidement supprimé ou éliminé en raison des contraintes de conservation de l'énergie dans les processus de diffusion avec renversement de spin. Même lorsque l'axe d'appariement de spins parallèles est désaligné par rapport à l'axe de quantification nucléaire, un pic faible n'apparaît que dans des conditions artificielles (par exemple, des fréquences nucléaires anormalement faibles) qui ne sont pas physiquement crédibles. De plus, le cas unitaire ($\Delta_1 = \Delta_2$) implique aucune TRSB, contredisant la prémisse de l'état INT non unitaire.
• Analyse du modèle singulet : En revanche, le modèle BCS singulet à deux bandes avec des magnitudes de gap distinctes fournit un ajustement excellent aux données expérimentales, incluant la magnitude et la dépendance en température du pic HS. Les valeurs de gap ajustées ($\Delta_1/k_B T_c \approx 1,41$, $\Delta_2/k_B T_c \approx 1,95$) sont cohérentes avec les mesures précédentes de chaleur spécifique et de susceptibilité magnétique.
• Analyse comparative : La magnitude du pic HS dans LaNiGa2 est significativement plus grande que dans de nombreux autres supraconducteurs non conventionnels et est comparable à celle des supraconducteurs d'onde s conventionnels comme MgB2 et CaPd2As2, soutenant davantage un mécanisme d'appariement conventionnel.

Signification et affirmations
L'article conclut que l'observation d'un pic de cohérence de Hebel-Slichter robuste dans LaNiGa2 est incompatible avec l'état d'appariement triplet non unitaire (INT) précédemment proposé, qui nécessite des gaps inégaux pour manifester la TRSB. Les données sont plutôt bien décrites par un modèle d'appariement singulet à deux bandes avec des gaps distincts.

Les auteurs déclarent que ces résultats « jettent un doute sur l'identification de l'appariement triplet non unitaire avec brisure de symétrie d'inversion du temps dans ce matériau ». Ils reconnaissent que leurs résultats ne sont pas entièrement cohérents avec les mesures $\mu$SR précédentes qui ont rapporté une TRSB, notant que ces mesures ont été effectuées sur des échantillons polycristallins près de la limite de détection. L'article ne rejette pas définitivement la TRSB mais suggère que la symétrie d'appariement est probablement singulet plutôt que triplet. Les auteurs proposent que des mesures futures sur des monocristaux et des techniques complémentaires, telles que la rotation de Kerr optique et l'atténuation ultrasonore, sont nécessaires pour confirmer ou réfuter définitivement la présence de TRSB et clarifier la symétrie d'appariement dans LaNiGa2.