Giant transverse magnetic fluctuations at the edge of re-entrant superconductivity in UTe$_{2}$

通过测量磁各向异性磁化率，研究人员在 UTe₂ 中磁场诱导的变磁临界点附近发现了巨大的横向磁涨落，这表明这些量子临界涨落为其再入超导性提供了配对机制，尽管不存在常规的铁磁序。

要点

想象一种名为UTe₂（二碲化铀）的材料，它就像一位极其挑剔的舞者。在正常条件下，这位舞者喜欢毫无摩擦地滑过地板；这被称为超导性。然而，如果你开启一个强磁场（就像一股巨大而看不见的风），舞者通常会停下来并绊倒。

但奇怪的是：如果你将这股磁风加速到极高的强度（超过医院核磁共振成像仪磁力的 40 倍），舞者会突然记起如何再次滑行！这被称为**“再入超导性”**。这就像舞者被击倒后，当风力达到飓风级别时，反而重新站起，舞得更好。

科学家们一直试图弄清楚为什么会发生这种情况。他们知道，在类似的材料中，将舞者（电子）粘合在一起的“胶水”是由磁涨落构成的——即材料磁性质中微小、混乱的颤动。但在 UTe₂中，存在一个问题：该材料似乎缺乏能够解释这种舞蹈的正确类型的磁颤动。

新工具：“磁扭矩”显微镜

为了解开这个谜团，研究人员使用了一种名为磁各向异性磁化率的特殊工具。

想象一下，标准的磁力计就像一台只称量磁铁有多重的秤。它告诉你材料在磁场方向上被拉动了多少。

研究人员使用的工具更像是一个微小、灵敏的跷跷板（微悬臂梁）。他们将一小块 UTe₂晶体粘在这个跷跷板的末端，并在巨大的磁场中旋转它。

• 如果材料完全刚性且对齐，跷跷板保持静止。
• 但如果材料的磁性质中存在“颤动”或“软点”，跷跷板就会开始摇晃和弯曲。

关键在于，这个跷跷板对侧向颤动非常敏感。标准工具只观察“前后”方向的拉力，而这个跷跷板能探测到材料在磁场试图从侧面推动它时的反应。

重大发现：“隐藏”的颤动

当研究人员旋转晶体时，他们发现了一些令人惊讶的事情。

1. “软点”：在约 20 特斯拉（一个非常强的磁场）处，跷跷板开始剧烈弯曲。这意味着材料产生了一个巨大的侧向磁颤动（横向涨落）。
2. 位置：这个巨大的颤动并非发生在任何地方。它发生在磁场和角度地图上的一个特定“区域”。
3. 联系：这个“颤动区”正好位于超导性复苏的边缘。这就像材料在音乐开始前，通过放松其僵硬的关节来为舞蹈做准备。

metamagnetic 转变： “翻转”

该论文还指出，这发生在** metamagnetic 转变**附近。想象一根被卡住指向北方的指南针针。突然，你施加巨大的力量，它猛烈地 snapping 转向东方。那个 snapping 就是转变。

在 UTe₂中，研究人员发现，就在这个"snapping"发生之前，材料在与磁场垂直的方向上变得极其“抖动”或“柔软”。这就像一扇即将打开的门；在它摆动之前，铰链会变松并摇晃。

为什么这很重要（根据论文）

论文表明，这些巨大的侧向颤动是秘密武器。

• 在其他材料中，科学家们认为必须已经存在磁序（“舞步”），超导性才会发生。
• 在 UTe₂中，不存在预先存在的序。相反，磁场创造了一种新类型的序，而围绕这种新序形成点的涨落（颤动）充当了“胶水”，使电子配对并产生超导。

结论

研究人员不仅找到了一种测量磁铁的新方法，他们还发现了 UTe₂中一个隐藏的“软点”，该点恰好出现在超导性恢复的位置。他们提出，这些巨大的侧向磁涨落是使材料在极端磁场下再次变为超导的机制。

这就像发现舞者并不需要僵硬才能跳舞；他们实际上需要在恰好的程度上稍微摇晃和放松，才能完成最惊人的动作。

技术摘要

技术摘要：UTe₂ 再入超导边缘的巨大横向磁涨落

问题陈述
重费米子超导体 UTe₂ 表现出独特的“再入”超导相，即在零电阻态被约 10 T 的磁场抑制后，会在高磁场（约 40 T 以上）重新出现。这一现象发生在晶体学$b$轴周围的一个磁场角度“晕”内，并与自旋极化态的变磁跃迁相吻合。虽然相关铀化合物（UCoGe 和 URhGe）中类似的再入超导性被解释为铁磁序参量的横向涨落驱动了自旋三重态配对，但 UTe₂ 缺乏零场铁磁序。因此，UTe₂ 高场超导性的配对机制仍未解决，特别是因为常规磁化测量未能检测到假设为驱动该配对所需的强磁涨落。

方法论
为了探测无法通过标准磁化测量（测量平行于外加场的纵向响应）获取的磁涨落，作者采用了磁各向异性磁化率测量技术。该技术利用硅微悬臂梁，在高达 60 T 的脉冲磁场中驱动其接近基频弯曲模式。

• 实验几何结构：样品安装在悬臂梁尖端。当悬臂梁围绕轴$\mathbf{n}$以小角度$\delta\theta$振荡时，外加磁场$\mathbf{B}$会产生横向场分量$\delta\mathbf{B}$。
• 测量原理：磁各向异性磁化率定义为$k \equiv \partial\tau/\partial\theta$（其中$\tau$为磁扭矩），它对垂直于振荡轴和外加场的磁化率分量敏感。
• 范围：测量在$T = 4$ K（超导性被抑制的温度）下进行，覆盖了两个磁场角度平面（$ac$面和$bc$面），以绘制磁响应随场强和取向的变化图。研究使用了三个样品（一个经聚焦离子束切割，两个手工切割）以确保可重复性。

主要贡献与结果

1. 巨大横向磁化率的探测：作者观察到磁各向异性磁化率$k$在广泛的磁场取向上出现大幅下降，特别是在$bc$面中。这种从约 20 T 开始的下降表明**横向磁化率**（$\chi_{\perp}$）相应地大幅增加。
2. 与纵向数据的定量差异：将测得的磁各向异性磁化率与仅基于纵向磁化数据（源自标准磁化测量）的计算结果进行比较时，发现了显著偏差。具体而言，对于沿$c$轴的磁场，测得的$k$值在 20 T 附近与计算值严重偏离。通过减去纵向贡献，作者分离出了横向分量，发现其在 40 T 时比纵向磁化率大 30 倍以上。
3. 相图关联：场 - 角相图中增强的横向磁化率区域环绕着三个超导相（SC1、SC2 和高场再入 SC3）。峰值横向磁化率位于高场变磁跃迁线的临界终点附近。
4. 涨落的性质：数据表明，巨大的横向磁化率源于场致磁序参量的量子临界涨落。作者指出，这些涨落在变磁跃迁线的临界终点（$B^*$）附近最为强烈，在该点磁矩倾向于重新取向至垂直于外加场的方向。

意义与主张
本文声称，这些测量提供了 UTe₂ 在高场下存在巨大横向磁涨落的首个直接证据。作者提出，这些由变磁跃迁附近的量子临界性驱动的涨落，可能作为导致场致再入超导性的自旋三重态配对机制的“胶水”。

该研究突显了磁各向异性磁化率作为探测常规磁化测量中“隐藏”的横向磁响应的探针的实用性。作者谦逊地总结道，虽然他们的数据强有力地支持了场致磁涨落驱动 UTe₂ 超导性的假设，但未来需要探索不同磁场角度平面和振荡轴的实验，以全面绘制这些涨落与特定超导序参量之间的关系。