UTe₂의 홀수패리티 초전도성 직접 입증

초록

본 연구는 s‑파 전통 초전도체인 인듐(In)과 UTe₂ 사이의 조셉슨 결합을 면밀히 조사하여, (001)면에서는 유한한 조셉슨 전류가 관찰되는 반면 (1‑10)면에서는 전류가 사라지는 선택 규칙을 확인하였다. 이 결과는 UTe₂가 제로 자기장 하에서 B₁ᵤ(Γ⁻²) 형태의 홀수패리티 스핀‑트리플릿 짝을 갖는다는 강력한 증거를 제공한다. 또한 (1‑10)면에서 제로 바이어스 전도 피크가 나타나 안드레프 표면 결합 상태가 형성됨을 보여준다.

상세 분석

UTe₂는 최근에 발견된 중이온계 무거운 페르미온 초전도체로, 비정상적으로 큰 상부 임계장(Hc₂)과 재진입 초전도 현상 때문에 스핀‑트리플릿, 홀수패리티 짝을 가질 가능성이 제기되어 왔다. 그러나 직접적인 증거는 부족했으며, 특히 제로 혹은 저자장 환경에서의 짝 대칭을 확인하는 것이 어려웠다. 본 논문은 s‑파 초전도체인 인듐(In)과 UTe₂ 사이에 형성된 조셉슨 접합을 이용해 ‘선택 규칙(selection rule)’을 검증함으로써 이 문제에 접근한다.

조셉슨 전류는 접합면의 법선벡터 ˆn과 전자 운동량 ˆk 사이의 대칭 관계에 따라 소멸하거나 유지된다. 논문에서는 D₂h 점군을 갖는 UTe₂의 가능한 불변 표현(irrep)들을 정리하고, 각 irrep에 대해 (001), (1‑10), (0‑11) 면에서의 전류 밀도 Jₛ를 계산하였다. 특히 홀수패리티 B₁ᵤ(Γ⁻²) 상태는 (001)면에서는 Jₛ≠0이지만 (1‑10)면에서는 Jₛ=0이 되는 특성을 보인다. 이는 강한 스핀‑궤도 결합(SOC) 하에서 s‑파와 홀수패리티 초전도체 사이의 1차 조셉슨 결합이 가능하도록 하는 수식(2)와 일치한다.

실험적으로는 In 점을 UTe₂ 표면에 직접 눌러 터널 장벽(InOₓ)을 형성한 뒤, (001)면과 (1‑10)면에 각각 세트의 접합을 제작하였다. (001)면에서 만든 A1, A2, B 시료는 온도 0.5 K ~ 1.6 K 구간에서 명확한 I‑V 비선형성 및 임계 전류 I_c를 보였으며, I_c·R_N 값은 Ambegaokar‑Baratoff(AB) 공식에 비해 약 4 %~15 % 수준으로 1차 결합임을 시사한다. 반면 (1‑10)면에서 만든 C1, C2 시료는 전류를 최소 4 µA까지 감소시켜도 전압이 0이 되는 전류가 관찰되지 않아 I_c가 실질적으로 0에 가깝다. R_N이 비슷함에도 불구하고 I_c가 급격히 감소한 점은 대칭에 의한 선택 규칙이 작용했음을 강하게 뒷받침한다.

표 1과 표 2의 데이터 분석을 통해 저자들은 UTe₂의 초전도 상태가 B₁ᵤ(Γ⁻²) 혹은 Γ⁻¹와 Γ⁻²가 혼합된 ‘우연적 퇴화(accidental degeneracy)’ 형태일 가능성을 제시한다. 이 경우 전자구조 조사(ARPES, dHvA)에서 kₓ=k_y=0 축이 페르미면에 존재하지 않으므로 점노드가 없을 수도 있다. 그러나 단일 입자 터널링, 비열, 침투 깊이 측정에서 관측된 큰 중간 상태는 3차원 페르미면이 존재함을 암시한다.

또한 (1‑10)면에서 관측된 제로 바이어스 전도 피크는 안드레프 표면 결합 상태(Andreev Surface Bound States, ASBS)의 전형적인 신호이다. 전자와 정공이 표면에서 반사·안드레프 반사 과정을 반복하면서 OP가 부호를 바꾸는 고전적 궤적을 형성하고, 이때 에너지가 0인 바운드 상태가 생성된다. 실험에서는 온도 0.5 K ~ 2.5 K 구간에서 dI/dV 스펙트럼이 급격히 변하며, UTe₂의 Tc 이하에서 뚜렷한 피크가 나타나는 것을 확인하였다. 이는 B₁ᵤ 상태가 (1‑10)면에서 OP 부호 반전을 일으켜 ASBS를 만들 수 있음을 뒷받침한다.

전체적으로 본 연구는 조셉슨 선택 규칙을 이용한 직접적인 상전이 실험을 통해 UTe₂가 제로 자기장 하에서 홀수패리티 B₁ᵤ(Γ⁻²) 스핀‑트리플릿 초전도성을 갖는다는 강력한 증거를 제공한다. 이는 기존의 NMR, 열전도, 비열 등 간접적인 측정과도 일관되면서, 향후 위상 초전도성, 마요라나 페어링, 그리고 스핀극성 기반 양자소자 개발에 중요한 기반을 제공한다.