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Multiple superconducting phases and order-parameter evolution in pressurized UTe $_2$

Cette étude utilise la spectroscopie de contact ponctuel sur l'UTe $_2$ sous pression pour identifier des états liés d'Andreev et quantifier l'évolution de son paramètre d'ordre supraconducteur, révélant des phases multiples distinguées par le poids relatif des appariements d'ondes $p_z$ et $p_{x(y)}$ .

Auteurs originaux : Shuo Zou, Fengrui Shi, Zhuolun Qiu, Jia-Long Zhang, Yan Zhang, Weilong Qiu, Zhuo Wang, Hai Zeng, Yinina Ma, Zheyu Wu, Andrej Cabala, Michal Valiska, Ning Li, Zihan Yang, Kaixin Ye, Jiawen Zhang, Yanan

Publié 2026-08-25

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Shuo Zou, Fengrui Shi, Zhuolun Qiu, Jia-Long Zhang, Yan Zhang, Weilong Qiu, Zhuo Wang, Hai Zeng, Yinina Ma, Zheyu Wu, Andrej Cabala, Michal Valiska, Ning Li, Zihan Yang, Kaixin Ye, Jiawen Zhang, Yanan Zhang, Kangjian Luo, Binbin Zhang, Alexander G. Eaton, Chaofan Zhang, Gang Li, Jianlin Luo, Wen Huang, Huiqiu Yuan, Xin Lu, Yongkang Luo

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Dans le monde de la science des matériaux, certaines substances se comportent d'une manière qui semble défier les règles ordinaires de l'électricité. Parmi les plus intrigantes de celles-ci figurent les supraconducteurs, des matériaux capables de transporter un courant électrique sans aucune résistance. Si de nombreux supraconducteurs sont bien compris, une classe spéciale connue sous le nom de supraconducteurs à triplet de spin demeure un mystère. Dans ces matériaux rares, les électrons qui forment le courant ne s'associent pas de la manière habituelle ; au lieu de cela, ils alignent leurs spins en parallèle, créant un état de la matière théoriquement capable d'héberger des particules exotiques utiles pour les futurs ordinateurs quantiques. Cependant, identifier exactement la manière dont ces électrons s'associent s'est avéré difficile, en particulier lorsque le matériau est soumis à des conditions extrêmes comme une pression élevée. Un tel matériau, un composé à fermions lourds appelé UTe2, est récemment apparu comme un candidat de premier plan pour cet état insaisissable, pourtant les scientifiques ont eu du mal à cartographier sa structure interne et la façon dont elle change lorsqu'elle est comprimée.

Une équipe de chercheurs a maintenant examiné de plus près l'UTe2 en le pressant entre de minuscules contacts électriques tout en mesurant la façon dont l'électricité circule à travers lui. En appliquant une pression hydrostatique allant jusqu'à 1,4 gigapascal, ils ont pu observer comment les propriétés supraconductrices du matériau évoluaient. Leurs mesures ont révélé une signature distincte : un pic aigu de conductance électrique précisément à une tension nulle, qui n'apparaît que lorsque le matériau est dans un état supraconducteur. Ce pic est le signe révélateur d'un type spécifique de comportement quantique où les électrons se réfléchissent sur la surface du matériau d'une manière qui crée une onde stationnaire d'énergie. La présence de cette caractéristique suggère fortement que les électrons s'associent selon un motif complexe impliquant une composante directionnelle spécifique, plutôt qu'une simple sphère d'interaction uniforme.

À mesure que les chercheurs augmentaient la pression, la forme de ce signal électrique changeait radicalement, révélant que le matériau ne reste pas dans un état unique mais passe par plusieurs phases supraconductrices distinctes. À basse pression, le matériau se comporte d'une certaine manière, dominé par un motif d'association relativement plat. À mesure que la pression augmente au-delà d'un seuil critique d'environ 0,3 gigapascal, le signal développe de nouveaux creux de chaque côté du pic central, indiquant que la structure interne des paires d'électrons devient plus complexe. En analysant ces changements, l'équipe a découvert que le matériau traverse au moins trois phases supraconductrices différentes, nommées SC1, SC2 et SC3. La différence clé entre ces phases est le poids relatif de deux types différents d'association d'électrons : l'un qui est plat et l'autre qui est directionnel. Dans la première phase, l'association plate domine, mais à mesure que la pression augmente, la composante directionnelle devient plus forte jusqu'à devenir le moteur principal dans la phase finale.

L'étude a également abordé un débat de longue date concernant la symétrie de ces paires d'électrons. Des théories précédentes avaient suggéré plusieurs possibilités, mais le motif spécifique des signaux électriques observés lors de cette expérience en exclut beaucoup. Les données pointent fortement vers une symétrie mathématique spécifique où les paires d'électrons possèdent une composante qui change de signe selon la direction du mouvement, une caractéristique essentielle pour la formation des ondes de surface observées. Bien que les chercheurs ne puissent pas encore affirmer avec une certitude absolue laquelle des deux symétries très similaires est la bonne, leurs découvertes réduisent considérablement le champ des possibles et fournissent une empreinte digitale claire pour distinguer les différentes phases. Ce travail clarifie non seulement la nature de l'UTe2, mais offre également une nouvelle méthode pour identifier des états exotiques similaires dans d'autres matériaux, rapprochant ainsi les scientifiques d'une compréhension des règles fondamentales qui régissent ces états quantiques étranges et de haute performance.

Résumé technique : Multiples phases supraconductrices et évolution du paramètre d'ordre dans l'UTe $_2$ sous pression

Énoncé du problème
L'UTe $_2$ est un candidat de premier plan pour un supraconducteur à spins triplets à fermions lourds, présentant des propriétés exotiques telles que des champs critiques supérieurs dépassant la limite de Pauli et une supraconconductivité reentrante sous des champs magnétiques élevés. Bien que la pression induise un diagramme de phase complexe avec trois phases supraconductrices distinctes (SC1, SC2 et SC3), la nature fondamentale de ces états reste non résolue. Plus précisément, les symétries de couplage de ces phases et l'évolution de leurs paramètres d'ordre avec la pression sont inconnues. Ce manque de compréhension découle largement de l'absence de sondes expérimentales sensibles à la symétrie capables de fonctionner dans des conditions extrêmes (haute pression, ultra-basse température). L'identification définitive du paramètre d'ordre est cruciale, car les supraconducteurs à spins triplets sont des hôtes potentiels pour les modes de Majorana à énergie nulle, pourtant de nombreux candidats (par exemple, Sr $_2$ RuO $_4$ , UPt $_3$ ) restent controversés.

Méthodologie
Les auteurs ont employé la spectroscopie de contact ponctuel (PCS) pour étudier la structure du gap et les états liés d'Andreev (ABS) de monocristaux d'UTe $_2$ sous pression hydrostatique.

Préparation des échantillons : Des monocristaux de haute qualité ont été élaborés par la méthode de flux mou (molten soft flux). Pour éviter les réactions chimiques (spécifiquement Ag-Te), de l'époxy Au a été utilisé pour fabriquer des jonctions à contact ponctuel souples sur la surface (0 0 1) du cristal.
Conditions expérimentales : Les mesures ont été effectuées dans un système de réfrigérateur $^3$ He jusqu'à $\sim$ 1,8 GPa à l'aide d'une cellule hybride à piston-clamp utilisant de l'huile Daphne 7373 comme milieu de transmission de pression. Des champs magnétiques ont été appliqués le long de l'axe $a$ .
Cadre théorique : Les données de conductance différentielle expérimentale ( $G_{NS}$ ) ont été analysées à l'aide d'un modèle Blonder-Tinkham-Klapwijk (BTK) étendu. Ce modèle prend en compte les canaux de couplage de spin triplet ( $\Phi_1, \Phi_0, \Phi_{-1}$ ) et calcule les spectres de conductance en fonction de la force de la barrière de la jonction ( $Z$ ), du facteur d'élargissement de Dynes ( $\Gamma$ ) et des amplitudes de gap ( $\Delta$ ). L'analyse visait spécifiquement la formation d'états liés d'Andreev à énergie nulle (ZABS), qui sont sensibles au changement de signe de la fonction de gap lors de la réflexion.

Résultats clés

Observation d'états liés d'Andreev à énergie nulle (ZABS) : À pression ambiante et à basses pressions (régime SC1), un pic de conductance à tension nulle (ZBCP) a été observé sur la surface (0 0 1). La stabilité de ce pic face à la température et au champ magnétique, ainsi que les caractéristiques de transport balistique ( $l/d \sim 8$ ), excluent les origines extrinsèques (échauffement ou diffusion magnétique). La présence de ZABS sur la surface (0 0 1) implique une composante de la fonction de gap qui change de signe avec $k_z$ , suggérant fortement une composante d'onde $p_z$ .
Évolution des spectres induite par la pression : À mesure que la pression augmentait au-delà de 0,3 GPa (entrant dans les régimes SC2 et SC3), les caractéristiques spectrales ont évolué de manière significative :
- À 0,6 GPa, des creux sont apparus de chaque côté du ZBCP.
- À 1,0 GPa, une structure à double creux est apparue.
- À 1,4 GPa (près de la frontière de la phase magnétique), le pic central s'est considérablement élargi avec un sommet plat.
Détermination de la symétrie : L'ajustement quantitatif utilisant le modèle BTK étendu indique que le paramètre d'ordre supraconducteur appartient soit aux représentations irréductibles (RI) $B_{2u}$ $B_{2 u}$ , soit $B_{3u}$ $B_{3 u}$ .
- Les couplages purs de type $p_x$ ou $p_y$ ne peuvent expliquer ni le ZBCP ni les creux latéraux.
- Un couplage $A_u$ entraîne typiquement un éclatement du pic ou nécessite un élargissement important pour correspondre aux données, ce qui contredit les structures nettes observées.
- Un couplage $B_{1u}$ manque du changement de signe nécessaire pour $k_z$ pour produire des creux latéraux.
- Les modèles $B_{2u}$ et $B_{3u}$ capturent avec succès le ZBCP et les structures de creux latéraux, à condition qu'une composante impaire de $k_z$ existe.
Évolution du paramètre d'ordre : Le poids relatif entre les couplages d'onde $p_z$ $p_{z}$ et $p_{x(y)}$ $p_{x (y)}$ , défini par le rapport $\langle \Delta_z \rangle / \langle \Delta_{x(y)} \rangle$ $⟨ Δ_{z} ⟩ / ⟨ Δ_{x (y)} ⟩$ , sert de paramètre distinctif pour les phases supraconductrices :
- SC1 (Basse pression) : Dominée par le couplage $p_{x(y)}$ , avec $\langle \Delta_z \rangle / \langle \Delta_{x(y)} \rangle \approx 0,57$ .
- SC2/SC3 (Haute pression) : La composante $p_z$ augmente drastiquement. À 0,6 GPa, le rapport atteint $\approx 1,03$ , et à 1,2 GPa, il atteint $\approx 1,30$ , indiquant une dominance de $p_z$ .
- Transition de phase : La dépendance en température de ce rapport à pression fixe (par exemple, 0,8 GPa) montre un comportement non monotone avec un minimum près de 1,5 K. Ce minimum s'aligne avec la frontière SC2-SC3 déterminée par les mesures thermodynamiques globales, suggérant une véritable transition de phase plutôt qu'un simple croisement (crossover).

Signification et affirmations
L'article affirme fournir la première preuve spectroscopique sensible à la symétrie de l'existence de multiples phases supraconductrices dans l'UTe $_2$ sous pression. En identifiant la présence d'une composante $p_z$ et en établissant $B_{2u}$ (ou $B_{3u}$ ) comme la symétrie de couplage la plus probable, l'étude impose des contraintes strictes aux modèles théoriques de l'UTe $_2$ .

Crucialement, les auteurs proposent que le rapport $\langle \Delta_z \rangle / \langle \Delta_{x(y)} \rangle$ est un paramètre robuste pour distinguer les phases SC1, SC2 et SC3. Les données suggèrent que SC1 est dominée par $p_{x(y)}$ , tandis que SC3 est dominée par $p_z$ , la transition entre SC2 et SC3 impliquant potentiellement la condensation d'une composante de paramètre d'ordre supplémentaire (possiblement une superposition de $B_{2u}$ et $B_{3u}$ ). L'élargissement anormal du spectre près de 1,4 GPa est spéculé comme étant lié à un point critique quantique magnétique, bien que les auteurs notent que cela nécessite une confirmation supplémentaire.

Dans l'ensemble, ce travail établit l'UTe $_2$ comme un système prototypique pour l'étude des ordres électroniques entrelacés sous l'effet de l'ajustement par pression et fournit des signatures spectroscopiques essentielles pour les investigations futures sur la supraconductivité topologique dans ce matériau.

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